JP2017186950A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

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智広 浅井
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林　　明典
恭大 穐山
Yasuhiro Akiyama
恭大 穐山
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Abstract

【課題】ガスタービン燃焼器の構造物の過度な温度上昇を抑制し、ガスタービン燃焼器の信頼性を確保すること。
【解決手段】
本発明のガスタービン燃焼器３は、空気孔プレート２０が、複数の空気孔５１Ａ，５１Ｂからなる中央空気孔群５１と、複数の空気孔５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃからなり、中央空気孔群５１を囲うように形成された複数の外周空気孔群５２とを有し、隣り合う２つの外周空気孔群５２と中央空気孔群５１とで囲われた領域に位置するように空気孔プレート２０に設けられた孔部６０１及び温度センサ４０１と、冷却剤の供給源２２０と、孔部６０１と供給源２２０を接続する冷却配管２０５と、冷却配管２０５に設けられた弁６７，６８と、温度センサ４０１の計測値に基づき弁６７，６８を駆動する制御装置５００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。
近年、地球温暖化の防止、資源の有効利用等の観点から、製鉄所で副生するコークス炉ガス、製油所で副生するオフガス等の水素を含んだガスをガスタービン燃焼器の燃料として利用する機運が高まっている。この種の燃料（以下、水素含有燃料）は、燃焼の際に地球温暖化の原因となる二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量が少なく、地球温暖化の防止に有効である。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プラント）では、ガスタービン燃焼器に供給される水素含有燃料（石炭ガス化ガス）中の炭素分を回収・貯留するシステム（ＣＣＳ）を設けて、ＣＯ２の排出量を更に削減している。
ところで、水素含有燃料中の水素は可燃範囲が広く燃焼速度が速いため、燃焼室内の壁面近傍で高温の火炎が局所的に形成され、ガスタービン燃焼器の信頼性が損なわれる可能性がある。高温の火炎が局所的に形成されることを抑制する方法として、燃料噴流と燃焼用空気流路を同軸上に配置し、燃料流を空気流が包み込むような同軸の噴流として燃焼室に供給する方法がある（特許文献１等を参照）。
特開２００３−１４８７３４号公報
一般的に、ＩＧＣＣプラントでは、ガスタービンの排熱により発生させた蒸気を利用して石炭ガス化ガスを生成しているため、石炭ガス化ガス以外の起動用燃料（例えば、油燃料）でガスタービンを起動させ、石炭ガス化ガスが使用可能となる部分負荷条件において、起動用燃料から石炭ガス化ガスに切り替えて、燃焼させるバーナの数を制御しながら定格負荷条件まで運転している。また、一般的に、水素含有燃料を使用する場合、着火に失敗すると水素含有燃料が燃焼せずに排出され、下流側のガスタービン内において、特に水素含有燃料中の水素が原因で爆発が起こる可能性がある。そのため、上述したように、起動用燃料でガスタービンを起動する運用方法を採用して安全性を確保している。
しかしながら、起動用燃料から石炭ガス化ガスへ切り替える際、それぞれの燃料により生じた火炎が互いに干渉し、ガスタービン燃焼器の構造物の温度が過度に上昇して、ガスタービン燃焼器の信頼性が低下する可能性がある。特に、副生ガスや石炭ガス化ガスの組成は、プラントの運転条件に応じて多様に変化するため、構造物の温度の上がり方が大きく変化する。従って、運転条件に応じて構造物を冷却して過度な温度上昇を抑制し、ガスタービン燃焼器の信頼性を確保することが好ましく、この点について特許文献１は改良の余地がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、ガスタービン燃焼器の構造物の過度な温度上昇を抑制し、ガスタービン燃焼器の信頼性を確保することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、燃料を噴射する複数の燃料ノズルと、前記複数の燃料ノズルに対応して形成された複数の空気孔を有し、前記複数の燃料ノズルの燃料の流れ方向の下流側に設けられた空気孔プレートと、前記複数の空気孔から噴射された燃料と空気とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼室とを備えたガスタービン燃焼器において、前記空気孔プレートは、複数の前記空気孔からなる中央空気孔群と、複数の前記空気孔からなり、前記中央空気孔群を囲うように形成された複数の外周空気孔群とを有し、隣り合う２つの前記外周空気孔群と前記中央空気孔群とで囲われた領域に位置するように前記空気孔プレートに設けられた孔部及び温度センサと、冷却剤の供給源と、前記孔部と前記供給源を接続する冷却配管と、前記冷却配管に設けられた弁と、前記温度センサの計測値に基づき前記弁を駆動する制御装置とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、ガスタービン燃焼器の構造物の過度な温度上昇を抑制し、ガスタービン燃焼器の信頼性を確保することができる。
本発明の第１実施形態に係る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を下流側から見た図である。 本発明の第１実施形態に係る制御装置の要部を示す概略図である。 本発明の第１実施形態に係る燃焼器における燃料ステージングを示す図である。 燃料切り替え過程における火炎形成の概念を示す図である。 冷却剤の供給手順を示すフローチャートである。 比較例に係るガスタービンプラントにおける燃料切り替え過程の燃料流量及びメタル温度の変化を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るガスタービンプラントにおける燃料切り替え過程の燃料流量及びメタル温度の変化を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る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２実施形態に係るバーナ部を下流側から見た図である。 本発明の第２実施形態に係る制御装置の要部を示す概略図である。 本発明の第２実施形態に係るガスタービンプラントにおける燃料切り替え過程の燃料流量及びメタル温度の変化を示す図である。
＜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の一構成例を表す図である。図１に示すように、ガスタービンプラント１は、圧縮機（空気圧縮機）２、燃焼器３、タービン４、発電機６及び起動用モータ７を備えている。
圧縮機２は、起動用モータ７により起動され、吸気部（不図示）を介して大気から吸い込まれた空気１０１を圧縮して高圧の圧縮空気１０２を生成し燃焼器３に供給する。燃焼器３は、圧縮機２から供給された圧縮空気１０２を燃料系統２６（後述する）から供給される燃料と混合して燃焼し、高温の燃焼ガス１１０を生成してタービン４に供給する。タービン４は、燃焼器３から供給された燃焼ガス１１０が膨張することにより駆動される。タービン４を駆動した燃焼ガス１１０は、排気ガス１１１としてタービン４から排出される。発電機６は、タービン４で得られた駆動力により回転し、電力を発生する。本実施形態では、圧縮機２、タービン４及び発電機６は、軸２９により相互に連結されている。
２．燃焼器
燃焼器３は、外筒１０、内筒１２、エンドカバー１３、バーナ部８、燃料系統２６、油燃料系統２７及び冷却系統３５を備えている。
内筒１２は、バーナ部８の燃焼ガス１１０の流れ方向の下流側に設けられている。以下、燃焼ガス１１０の流れ方向の「上流」「下流」を単に「上流」「下流」と言う。内筒１２は円筒状に形成され、圧縮機２から供給される圧縮空気１０２と燃焼器３で生成される燃焼ガス１１０とを隔てている。外筒１０は、円筒状に形成され、内筒１２の外周側に内筒１２を覆うように設けられている。外筒１０と内筒１２との間に形成される環状の空間は、圧縮機２から燃焼器３に供給される圧縮空気１０２が流れる環状流路２４を構成している。環状流路２４を流れる圧縮空気１０２は、内筒１２の外壁面側から内筒１２を対流冷却する。内筒１２の壁面には、多数の連通孔２５が形成されている。環状流路２４を流れる圧縮空気１０２の一部は、連通孔２５を介して環状流路２４から内筒１２の内部へ冷却空気１０３として流入し、内筒１２のフィルム冷却に使用される。環状流路２４を流れる圧縮空気１０２のうち内筒１２のフィルム冷却に使用されなかった分は、環状流路２４をバーナ部８に向かって流れ、バーナ部８に燃焼空気１０２ａとして流入する。バーナ部８に流入した燃焼空気１０２ａは、燃料系統２６からバーナ部８に供給された燃料と共に燃焼室５内に噴射され、燃焼される。エンドカバー（燃焼器エンドカバー）１３は、バーナ部８の環状流路２４を流れる圧縮空気１０２の流れ方向の下流側に設けられており、外筒１０の一端（環状流路２４を流れる圧縮空気１０２の流れ方向の下流側の端部）を閉止している。内筒１２の内側には燃焼室５が形成されている。燃焼室５では、バーナ部８の空気孔プレート２０（後述する）に形成された空気孔群５１，５２から噴射された燃料と燃焼空気１０２ａとの混合気が燃焼され、燃焼ガス１１０が生成される。
２−１．バーナ部
バーナ部８は、内筒１２の中心軸に直交するように配置されており、内筒１２の上流側の端部を全面的に塞いでいる。バーナ部８は、油ノズル４０、複数の燃料ノズル２２，２８、燃料分配器２３，３０及び空気孔プレート２０を備えている。本実施形態では、バーナ部８は、燃焼室５の上流側に内筒１２と同軸に配置された１つのパイロットバーナ３２とパイロットバーナ３２の周囲に配置された複数のメインバーナ３３とからなる。具体的に、油燃料ノズル４０、複数の燃料ノズル（パイロットバーナ用燃料ノズル）２２、燃料分配器（パイロットバーナ用燃料分配器）２３及び空気孔プレート２０の空気孔群５１はパイロットバーナ３２を構成し、複数の燃料ノズル（メインバーナ用燃料ノズル）２８、燃料分配器（メインバーナ用燃料分配器）３０及び空気孔プレート２０の空気孔群５２はメインバーナ３３を構成している。パイロットバーナ３２及びメインバーナ３３は、それぞれ同心円状の複数（本実施形態では３つ）の環状列に区分されている。以下、パイロットバーナ３２及びメインバーナ３３の複数の環状列を内周側から外周側に向かってそれぞれ第１列、第２列、第３列と適宜称する。
油ノズル４０は、燃焼室５に起動用燃料を供給するものである。油ノズル４０は、エンドカバー１３により内筒１２と同軸に支持されている。つまり、油ノズル４０の先端部は、燃焼室５から見て、空気孔プレート２０の中心（パイロットバーナ３２の第１列）に位置している。起動用燃料には、軽油、灯油、Ａ重油等の油燃料、或いは天然ガス、プロパン等のガス燃料を使用することができる。
複数の燃料ノズル２２は、パイロットバーナ３２の第２，３列に同心円状に配置されており、各列の全周に渡って設けられている（環状に配置されている）。複数の燃料ノズル２２は、燃料分配器２３に支持されている。燃料分配器２３は、エンドカバー１３に支持されている。燃料ノズル２２は、先端が円筒状に形成されており、燃料系統２６から供給された燃料を空気孔プレート２０の空気孔群５１に向かって噴射する。
複数の燃料ノズル２８は、メインバーナ３３の第１〜３列に同心円状に配置されており、各列の全周に渡って設けられている（環状に配置されている）。第１列に配置された燃料ノズル２８は燃料分配器３０Ｂに支持され、第２，３列に配置された燃料ノズル２８は燃料分配器３０Ｃに支持されている。燃料分配器３０Ｂ，３０Ｃは、エンドカバー１３に支持されている。燃料ノズル２８は、先端が円筒状に形成されており、燃料系統２６から供給された燃料を空気孔プレート２０の空気孔群５２に向かって噴射する。
空気孔プレート２０は、空気孔群５１，５２を有している。空気孔プレート２０は、内筒１２と同軸の円盤状のプレートであって、複数の燃料ノズル２２，２８の燃料の流れ方向の下流側に複数の燃料ノズル２２，２８の先端から離間して配置されている。つまり、本実施形態では、複数の燃料ノズル２２，２８は空気孔群５１，５２に挿し込まれていない。空気孔プレート２０の中央領域（パイロットバーナ３２を構成する領域）は、燃料ノズル２２側（燃料の流れ方向の上流側）に窪んでいる。つまり、空気孔プレート２０の中央領域における燃焼室５側の壁面３０１及び燃料ノズル２２側の壁面は、中央領域を除く領域における燃焼室５側の壁面３０２及び燃料ノズル２２側の壁面に対して、空気孔プレート２０の中心に向かって燃料の流れ方向の上流側に傾斜している。
空気孔群（中央空気孔群）５１は、空気孔プレート２０の中央領域に形成されている。中央空気孔群５１は、複数の空気孔５１Ａ，５１Ｂからなる。本実施形態では、複数の空気孔５１Ａ，５１Ｂは、パイロットバーナ３２の第２，３列に同心円状に配置され、各空気孔列の全周に渡って設けられている。複数の空気孔５１Ａ，５１Ｂは、１つの空気孔が１つの燃料ノズル２２の燃料の流れ方向の下流側にその燃料ノズル２２に対応して配置されている。複数の空気孔５１Ａ，５１Ｂは、入口（燃料の流れ方向の上流側の開口部）及び出口（燃料の流れ方向の下流側の開口部）を構成する２つの円と中心軸とが直交する直円柱状に形成されている。一方、上述したように、空気孔プレート２０の中央領域は燃料ノズル２２側に窪んでいるため、複数の空気孔５１Ａ，５１Ｂは、中心軸が対応する燃料ノズル２２の軸に対して空気孔プレート２０の径方向内側に傾斜している。
空気孔群（外周空気孔群）５２は、空気孔プレート２０の中央空気孔群５１の外周側に中央空気孔群５１を囲うように形成されている。外周空気孔群５２は、複数の空気孔５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃからなる。複数の空気孔５２Ａ〜５２Ｃは、メインバーナ３３の第１〜３列に同心円状に配置され、各空気孔列の全周に渡って設けられている。複数の空気孔５２Ａ〜５２Ｃは、１つの空気孔が１つの燃料ノズル２８の燃料の流れ方向の下流側にその燃料ノズル２８に対応して配置されている。複数の空気孔５２Ａ〜５２Ｃは、入口及び出口を構成する２つの円と中心軸とが直交する直円柱状に形成され、対応する燃料ノズル２８と同軸に配置されている。
２−２．燃料系統
燃料系統２６は、燃料供給源２００、共通燃料配管２０７、第１〜３燃料配管２０１〜２０３及び第１〜３燃料供給ノズル４１〜４３を備えている。燃料供給源２００は、第１〜３燃料供給ノズル４１〜４３に供給される燃料の供給源である。共通燃料配管２０７は、燃料供給源２００に接続している。共通燃料配管２０７には、燃料遮断弁（開閉弁）６０が設けられている。第１〜３燃料配管２０１〜２０３は、共通燃料配管２０７から並列に分岐し、第１〜３燃料供給ノズル４１〜４３に接続している。第１〜３燃料配管２０１〜２０３には、第１〜３燃料流量調節弁６１〜６３が設けられている。第１〜３燃料供給ノズル４１〜４３は、燃料分配器２３，３０Ｂ，３０Ｃに接続している。なお、共通燃料配管２０７から分岐する燃料配管の数は３つに限定されない。
燃料供給源２００から第１〜３燃料配管２０１〜２０３を経由して第１〜３燃料供給ノズル４１〜４３に導かれた燃料は、燃料分配器２３，３０Ｂ，３０Ｃに供給される。第１燃料供給ノズル４１を通じて燃料分配器２３に供給された燃料（Ｆ１燃料）は、燃料ノズル２２の先端から噴射されて燃焼室５に供給される。第２，３燃料供給ノズル４２，４３を通じて燃料分配器３０Ｂ，３０Ｃに供給された燃料（Ｆ２，Ｆ３燃料）は、燃料ノズル２８の先端から噴射されて燃焼室５に供給される。Ｆ１燃料の流量は第１燃料流量調節弁６１、Ｆ２燃料の流量は第２燃料流量調節弁６２、Ｆ３燃料の流量は第３燃料流量調節弁６３によりそれぞれ調節される。本実施形態では、第１〜３燃料流量調節弁６１〜６３によりＦ１〜Ｆ３燃料の流量を個別に調節することで、ガスタービンプラント１の発電量が制御される。なお、Ｆ１〜Ｆ３燃料には、コークス炉ガス、製油所オフガス、石炭ガス化ガス等の水素や一酸化炭素を含んだガス燃料、或いは天然ガス等を使用することができる。
２−３．油燃料系統
油燃料系統２７は、油燃料供給源２１０及び油燃料配管２０４を備えている。油燃料供給源２１０は、油ノズル４０に供給される油燃料の供給源である。油燃料配管２０４は、油燃料供給源２１０と油ノズル４０を接続している。油燃料配管２０４には、油燃料遮断弁（開閉弁）６５及び油燃料流量調節弁６６が設けられている。油燃料供給源２１０から油燃料配管２０４を経由して油ノズル４０に導かれた油燃料は、油ノズル４０の先端から噴射されて燃焼室５に供給される。油ノズル４０に供給される油燃料の流量は、油燃料流量調節弁６６により調節される。
２−４．冷却系統
冷却系統３５は、冷却剤供給源２２０、冷却配管２０５、冷却ノズル３１、熱電対４０１、冷却孔６０１及び制御装置５００を備えている。冷却剤供給源２２０は、冷却孔６０１に供給される冷却剤の供給源である。冷却配管２０５は、冷却剤供給源２２０と冷却ノズル３１を接続している。冷却ノズル３１は、冷却孔６０１に接続している。冷却剤供給源２２０から冷却配管２０５を経由して冷却ノズル３１に導かれた冷却剤は、冷却孔６０１を介して燃焼室５に噴射される。冷却配管２０５には、冷却剤遮断弁（開閉弁）６７及び冷却剤流量調節弁６８が設けられている。本実施形態では、冷却剤遮断弁６７及び冷却剤流量調節弁６８は、制御装置５００に電気的に接続している。冷却剤遮断弁６７は、制御装置５００からの信号Ｓ１，Ｓ２を入力して冷却配管２０５の開通及び遮断を切り換える。具体的に、冷却剤遮断弁６７は、制御装置５００からの信号（開通信号）Ｓ１を入力したとき冷却配管２０５を開通し、制御装置５００からの信号（遮断信号）Ｓ２を入力したとき冷却配管２０５を遮断する。冷却剤流量調節弁６８は、制御装置５００からの信号Ｓ３，Ｓ４に応じて弁開度が調節される。具体的に、冷却剤流量調節弁６８は、制御装置５００からの信号（開度指令信号）Ｓ３を入力したとき信号Ｓ３に応じた開度に調整され、制御装置５００からの信号（閉止指令信号）Ｓ４を入力したとき開度がゼロに調整される（つまり、冷却剤流量調節弁６８が閉止する）。冷却剤流量調節弁６８の開度を調整することにより、冷却剤供給源２２０から冷却孔６０１に供給される冷却剤の流量が調節される。
図２は、本実施形態に係るバーナ部を下流側から見た図である。図２に示すように、本実施形態では、中央空気孔群５１の周囲に６つの外周空気孔群５２が形成されている。以下、中央空気孔群５１の上側に図示された外周空気孔群５２から時計回りに外周空気孔群５２ａ〜５２ｆと適宜称する。
熱電対（温度センサ）４０１及び冷却孔（孔部）６０１は、隣り合う２つの外周空気孔群５２と中央空気孔群５１とで囲われた領域に位置するように空気孔プレート２０に設けられている。図２に示すように、本実施形態では、空気孔プレート２０の隣り合う２つの外周空気孔群５２ａ，５２ｂ、５２ｂ，５２ｃ、５２ｃ，５２ｄ、５２ｄ，５２ｅ、５２ｅ，５２ｆ及び５２ｆ，５２ａと中央空気孔群５１とで囲われた領域Ｒａ〜Ｒｆに熱電対４０１（４０１ａ〜４０１ｆ）及び冷却孔６０１（６０１ａ〜６０１ｆ）が１つずつ設けられている。以下、熱電対４０１ａ及び冷却孔６０１ａについて説明するが、熱電対４０１ｂ〜４０１ｆ及び冷却孔６０１ｂ〜６０１ｆについても同様である。
冷却孔６０１ａは、空気孔プレート２０の中心から延び、隣り合う２つの外周空気孔群５２ａ，５２ｂの間を通る直線Ｌａ上に形成されている。冷却孔６０１ａは、冷却剤の流れ方向の上流側の開口部及び下流側の開口部を構成する２つの円と中心軸とが直交する直円柱状に形成され、冷却ノズル３１と同軸に配置されている（図１を参照）。冷却孔６０１ａに供給される冷却剤には、酸素分離設備（不図示）で生成された窒素、或いは蒸気、水等を使用することができる。なお、冷却孔６０１ａは、冷却ノズル３１と同軸に配置される構成に限定されず、例えば、冷却ノズル３１の軸に対して傾斜して配置されても良い。
熱電対４０１ａは、空気孔プレート２０の領域Ｒａにおけるメタル温度Ｔｍを計測するものである。熱電対４０１ａは、直線Ｌａ上に冷却孔６０１ａに隣接して設けられている。なお、本明細書において「隣接する」とは、熱電対４０１ａが、冷却孔６０１ａを流れる冷却剤から影響を受けることのない最小距離だけ冷却孔６０１ａから離れて設けられている状態を言う。熱電対４０１ａは、空気孔プレート２０の燃焼室５側の壁面３０２から燃料の流れ方向の上流側に向かって形成された熱電対用孔部（不図示）に挿入されて設けられている。
図３は、本実施形態に係る制御装置の要部を示す概略図である。制御装置５００は、熱電対４０１で計測されたメタル温度Ｔｍに基づき冷却剤遮断弁６７及び冷却剤流量調節弁６８を駆動するものである。図３に示すように、制御装置５００は、温度比較部５０１、冷却剤流量演算部５０２及び記憶部５０３を備えている。
温度比較部５０１は、熱電対４０１と電気的に接続している。温度比較部５０１は、熱電対４０１で計測された空気孔プレート２０の領域Ｒａ〜Ｒｆにおけるメタル温度Ｔｍのうち最大値と上限値（設定値）Ｔｍａｘとを比較する。上限値Ｔｍａｘは、燃焼器３の構造物（例えば、空気孔プレート２０）が構造強度を保持することができる最大温度である。温度比較部５０１は、冷却剤流量演算部５０２と電気的に接続しており、メタル温度Ｔｍが上限値Ｔｍａｘより大きい場合に、冷却剤流量演算部５０２にメタル温度Ｔｍに関する信号（メタル信号）を出力する。一方、温度比較部５０１は、熱電対４０１で計測された空気孔プレート２０の領域Ｒａ〜Ｒｆにおけるメタル温度Ｔｍのうち最小値と下限値（設定値）Ｔｍｉｎとを比較する。下限値Ｔｍｉｎは、冷却剤により燃焼室５内の火炎温度が低下して火炎が不安定化することのない最小温度である。温度比較部５０１は、メタル温度Ｔｍが下限値Ｔｍｉｎ未満の場合に、冷却剤流量演算部５０２に信号（停止信号）を出力する。
冷却剤流量演算部（演算部）５０２は、記憶部５０３と電気的に接続している。演算部５０２は、温度比較部５０１から出力されたメタル信号を入力すると、メタル温度Ｔｍに基づいて、記憶部５０３に格納されたメタル温度Ｔｍと冷却剤流量調節弁６８の開度との関係を示すテーブルから冷却剤流量調節弁６８の開度を取得（演算）する。そして、演算部５０２は、冷却剤遮断弁６７に信号Ｓ１を出力して冷却配管２０５を開通し、冷却剤流量調節弁６８に信号Ｓ３を出力して冷却剤流量調節弁６８の開度を取得した開度に調整し、冷却孔６０１を介して燃焼室５に冷却剤を供給する。一方、演算部５０２は、温度比較部５０１から停止信号を入力すると、冷却剤遮断弁６７に信号Ｓ２を出力して冷却配管２０５を遮断し、冷却剤流量調節弁６８に信号Ｓ４を出力して冷却剤流量調節弁６８の開度をゼロに調整する。
（動作）
図４は、本実施形態に係る燃焼器における燃料ステージングを示す図である。図４は、ガスタービンが起動を開始してから定格回転数定格負荷状態（ＦＳＦＬ）に到達するまでの燃料（油燃料及びＦ１〜Ｆ３燃料）の流量変化を示している。図４において、横軸は経過時間、縦軸は燃料流量を示している。また、図４の最上段には、ガスタービンが起動してからＦＳＦＬに到達するまでのバーナ部８の燃焼モードを示しており、燃料が噴射する部分が黒色で示されている。
以下、ガスタービンが起動を開始してからＦＳＦＬに到達するまでの過程を５つの時点（時点ａ〜ｅ）に区切り、燃料流量の変化について説明する。時点ａは起動を開始する時点、時点ｂは定格回転数無負荷状態（ＦＳＮＬ）に到達した時点、時点ｃは燃料を切り替える時点、時点ｄは全燃焼モードに切り替える時点、時点ｅはＦＳＦＬに到達した時点である。
・時点ａ〜ｂ
時点ａにおいて、圧縮機２を起動させ、タービン４が着火可能条件を満たす回転数に達するまで昇速したら、油燃料供給源２１０から油ノズル４０に油燃料を供給して燃焼し、燃焼器３を着火させる。タービン４が所定回転数に達した後も油燃料の流量を増加させ、ガスタービンがＦＳＮＬに到達するまでタービン４が昇速される。この間、燃料ノズル２２，２８にはＦ１，Ｆ２燃料は供給されない。なお、ガスタービンが起動を開始してから負荷を取り始めるまでの時間的な区間を昇速域と言う。
・時点ｂ〜ｃ
時点ｂにおいて、ガスタービンがＦＳＮＬに到達したら、発電機６から負荷を取り始めて負荷を増加させる。負荷の増加に応じて油ノズル４０に供給する油燃料の流量を増加させ、燃料の切り替えを開始する規定の部分負荷条件に到達するまで負荷を上昇させる。
・時点ｃ〜ｄ
時点ｃにおいて、燃料の切り換えを開始する既定の部分負荷条件に到達すると、油燃料の流量を減少させながらＦ１，Ｆ２燃料の流量を増加させて、燃料の切り替えを開始する。燃焼器３は、燃料供給源２００から第１，２燃料配管２０１，２０２に供給されたＦ１，Ｆ２燃料がパイロットバーナ３２の燃料ノズル２２及びメインバーナ３３の第１列の燃料ノズル２８から噴射される燃焼モード（部分燃焼モード）で稼働する。
・時点ｄ〜ｅ
時点ｄにおいて、燃焼モードを切り替える規定の部分負荷条件に到達すると、燃焼器３は、燃料供給源２００から第１〜３燃料配管２０１〜２０３に供給されたＦ１〜Ｆ３燃料がパイロットバーナ３２の燃料ノズル２２及びメインバーナ３３の第１〜３列の燃料ノズル２８から噴射される燃焼モード（全燃焼モード）で稼働する。その後、Ｆ１〜Ｆ３燃料の流量を増加させて、ガスタービンがＦＳＦＬに到達する。なお、ガスタービンがＦＳＮＬに到達してからＦＳＦＬに到達するまでの時間的な区間を負荷上昇域と言う。
次に、冷却剤の供給手順について説明する。
図５は、燃料切り替え過程における火炎形成の概念を示す図である。
ガスタービンが起動を開始してからＦＳＦＬに到達するまでの過程のうち、特に時点ｃ〜ｄでは、図５に示すように、油燃料による火炎とガス燃料（Ｆ１，Ｆ２燃料）による火炎とが干渉することにより、空気孔プレート２０のメタル温度が過度に上昇し得る。特に、中央空気孔群５１の出口では、油燃料による火炎とガス燃料による火炎の２つの火炎が形成されるため、ガス燃料による火炎の熱で油燃料の微粒化と蒸発が促進され、油燃料の燃焼が促進される。その結果、油焚きパイロット火炎８１が強化され、油焚きパイロット強化火炎８２として複数の外周空気孔群５２の間の領域に拡大する。従って、特に、空気孔プレート２０の隣り合う２つの外周空気孔群５２と中央空気孔群５１とで囲われた領域Ｒａ〜Ｒｆにおけるメタル温度が過度に上昇し得る。
図６は、冷却剤の供給手順を示すフローチャートである。
燃料の切り替えが開始すると、図６に示すように、熱電対４０１はメタル温度Ｔｍを計測し（ステップＳ１）、制御装置５００の温度比較部５０１に出力する。
温度比較部５０１は、熱電対４０１で計測された空気孔プレート２０の領域Ｒａ〜Ｒｆにおけるメタル温度Ｔｍのうち最大値と上限値Ｔｍａｘとを比較する（ステップＳ２）。具体的に、メタル温度Ｔｍが上限値Ｔｍａｘより大きい（Ｔｍａｘ＜Ｔｍ）の場合（Ｙｅｓ）、温度比較部５０１はメタル信号を演算部５０２に出力する。そして、制御装置５００は手順をステップＳ３に移す。反対に、メタル温度Ｔｍが上限値Ｔｍａｘ以下（Ｔｍａｘ≧Ｔｍ）の場合（Ｎｏ）、制御装置５００は手順をステップＳ１に戻す。
演算部５０２は、温度比較部５０１が出力したメタル信号を入力すると、メタル温度Ｔｍに基づいて冷却剤流量調節弁６８の開度を取得し、冷却剤遮断弁６７に信号Ｓ１、冷却剤流量調節弁６８に信号Ｓ３を出力する（ステップＳ３）。
続いて、熱電対４０１はメタル温度Ｔｍを計測し（ステップＳ４）、温度比較部５０１に出力する。
温度比較部５０１は、熱電対４０１で計測された空気孔プレート２０の領域Ｒａ〜Ｒｆにおけるメタル温度Ｔｍのうち最小値と下限値Ｔｍｉｎとを比較する（ステップＳ５）。具体的に、メタル温度Ｔｍが下限値Ｔｍｉｎ未満（Ｔｍ＜Ｔｍｉｎ）の場合（Ｙｅｓ）、温度比較部５０１は演算部５０２に信号を出力する。反対に、メタル温度Ｔｍが下限値Ｔｍｉｎ以上（Ｔｍｉｎ≦Ｔｍ）の場合（Ｎｏ）、制御装置５００は手順をステップＳ４に戻す。
演算部５０２は、温度比較部５０１からの信号を入力すると、冷却剤遮断弁６７に信号Ｓ２、冷却剤流量調節弁６８に信号Ｓ４を出力し（ステップＳ６）、制御装置５００は手順を終了する。
（効果）
（１）図７は比較例に係るガスタービンプラントにおける燃料切り替え過程の燃料流量及びメタル温度の変化を示す図、図８は本実施形態に係るガスタービンプラントにおける燃料切り替え過程の燃料流量及びメタル温度の変化を示す図である。図７，８において、横軸は経過時間、縦軸は燃料流量、メタル温度及び冷却剤流量（図８のみ）を示している。また、時刻ｔｏは燃料切り替えの開始時刻（油専焼の終了時刻）、時刻ｔｇは燃料切り替えの完了時刻（ガス専焼の開始時刻）を示している。なお、図７，８におけるメタル温度Ｔｍは、熱電対１０４で計測された空気孔プレート２０の領域Ｒａ〜Ｒｆにおけるメタル温度のうち最大値のものを示している。
図７に例示するように、比較例では、時刻ｔｏを経過した後、油燃料の流量が減少しガス燃料の流量が増加すると、上述した理由によりメタル温度Ｔｍが上昇し、時刻ｔｃでメタル温度Ｔｍが上限値Ｔｍａｘを下から上に跨いで上限値Ｔｍａｘより大きくなる。その後、油燃料の流量の減少に伴って油焚きパイロット強化火炎８２が弱まると、メタル温度Ｔｍは低下し、時刻ｔｄで上限値Ｔｍａｘを上から下に跨いで上限値Ｔｍａｘより小さくなる。その後、時刻ｔｇで燃料の切り替えが完了する。以上のように、比較例では、燃料の切り替え過程において、メタル温度Ｔｍが上限値Ｔｍａｘより大きくなる（空気孔プレート２０の温度が過度に上昇する）時間が存在する。
これに対し、本実施形態では、空気孔プレート２０の隣り合う２つの外周空気孔群５２と中央空気孔群５１とで囲われた領域Ｒａ〜Ｒｆに熱電対４０１及び冷却孔６０１を設け、熱電対４０１の計測値に基づき冷却孔６０１に冷却剤を供給している。そのため、図８に例示するように、冷却孔６０１を流れる冷却剤により空気孔プレート２０を冷却し、メタル温度Ｔｍを低下させることができる。従って、空気孔プレート２０の過度な温度上昇を抑制し、燃焼器３の信頼性を確保することができる。
（２）上述したように、油焚きパイロット強化火炎８２は複数の外周空気孔群５２の間に拡大するため、空気孔プレート２０の隣り合う２つの外周空気孔群５２と中央空気孔群５１とで囲われた領域のうち、特に、空気孔プレート２０の中心から延び、隣り合う２つの外周空気孔群５２の間を通る直線上に位置する領域で温度が上昇し易い。これに対し、本実施形態では、空気孔プレート２０の中心から延び、隣り合う２つの外周空気孔群５２の間を通る直線上に冷却孔６０１を形成しているので、温度が上昇し易い領域を効果的に冷却することができる。
（３）本実施形態では、熱電対４０１の計測値（メタル温度Ｔｍ）と上限値Ｔｍａｘとを比較し、熱電対４０１の計測値が上限値Ｔｍａｘより大きい場合に冷却孔６０１に冷却剤を供給している。そのため、図８に例示するように、メタル温度Ｔｍを上限値Ｔｍａｘ以下で保持することができ、空気孔プレート２０の構造強度を確保して、燃焼器３の信頼性をより向上させることができる。
（４）本実施形態では、熱電対４０１の計測値（メタル温度Ｔｍ）と下限値Ｔｍｉｎとを比較し、熱電対４０１の計測値が下限値Ｔｍｉｎ未満の場合に冷却孔６０１への冷却剤の供給を停止させている。そのため、図８に例示するように、メタル温度Ｔｍを下限値Ｔｍｉｎ以上で保持することができ、冷却剤により燃焼室５内の火炎温度が低下して火炎が不安定化することを回避して、燃焼器３の信頼性をより向上させることができる。
＜第２実施形態＞
（構成）
図９は、本実施形態に係る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。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。
本実施形態は、冷却系統３５が、冷却配管２０６、冷却ノズル３４、熱電対４０２及び冷却孔６０２を更に備える点で第１実施形態と異なる。その他の点は、第１実施形態と同様である。
図９に示すように、冷却配管２０６は、冷却配管２０５から分岐し、冷却剤供給源２２０と冷却ノズル３４を接続している。冷却ノズル３４は、冷却孔６０２に接続している。冷却剤供給源２２０から冷却配管２０６を経由して冷却ノズル３４に導かれた冷却剤は、冷却孔６０２を介して燃焼室５に噴射される。冷却配管２０６には、冷却剤流量調節弁６９が設けられている。本実施形態では、冷却剤流量調節弁６９は制御装置５００に電気的に接続している。冷却剤流量調節弁６９は、制御装置５００からの信号Ｓ５，Ｓ６に応じて弁開度が調整される。具体的に、冷却剤流量調節弁６９は、制御装置５００からの信号（開度指令信号）Ｓ５を入力したとき信号Ｓ５に応じた開度に調整され、制御装置５００からの信号（閉止指令信号）Ｓ６を入力したとき開度がゼロに調整される（つまり、冷却剤流量調節弁６９が閉止する）。冷却剤流量調節弁６９の開度を調整することにより、冷却剤供給源２２０から冷却孔６０２に供給される冷却剤の流量が調節される。冷却孔（他の孔部）６０２は、隣り合う２つの外周空気孔群５２の間に位置するように、空気孔プレート２０に少なくとも１つ設けられている。熱電対（他の温度センサ）４０２は、冷却孔６０２に隣接して設けられている。冷却孔６０２及び熱電対４０２は、冷却孔６０１及び熱電対４０２と同様の構成である。
図１０は、本実施形態に係るバーナ部を下流側から見た図である。
図１０に例示する構成では、空気孔プレート２０の隣り合う２つの外周空気孔群５２ａ，５２ｂ、５２ｂ，５２ｃ、５２ｃ，５２ｄ、５２ｄ，５２ｅ、５２ｅ，５２ｆ及び５２ｆ，５２ａの間の領域Ｓａ〜Ｓｆに熱電対４０２（４０２ａ〜４０２ｆ）及び冷却孔６０２（６０２ａ〜６０２ｆ）が３つずつ設けられている。つまり、本実施形態では、空気孔プレート２０に熱電対４０２及び冷却孔６０２が１８個ずつ設けられている。なお、空気孔プレート２０の領域Ｓａ〜Ｓｆに形成される熱電対４０２及び冷却孔６０２の数は３つに限定されない。
冷却孔６０２ａは、直線Ｌａ上に間隔を空けて並べて形成され、熱電対４０２ａは、直線Ｌａ上に間隔を空けて冷却孔６０２に隣接して設けられている。つまり、本実施形態では、熱電対４０１ａ、冷却孔６０１ａ、３つの熱電対４０２ａ及び３つの冷却孔６０２ａが、直線Ｌａ上に並べられている。熱電対４０２ｂ〜４０２ｆ及び冷却孔６０２ｂ〜６０２ｆについても、熱電対４０２ａ及び冷却孔６０２ａと同様である。
図１１は、本実施形態に係る制御装置の要部を示す概略図である。
図１１に示すように、本実施形態では、制御装置５００の温度比較部５０１は、熱電対４０１，４０２と電気的に接続している。温度比較部５０１は、熱電対４０２で計測された空気孔プレート２０の領域Ｓａ〜Ｓｆにおけるメタル温度Ｔｎのうち最大値と上限値Ｔｍａｘとを比較し、メタル温度Ｔｎが上限値Ｔｍａｘより大きい場合に、演算部５０２にメタル温度Ｔｎに関する信号（第２メタル信号）を出力する。一方、温度比較部５０１は、熱電対４０２で計測された空気孔プレート２０の領域Ｓａ〜Ｓｆにおけるメタル温度Ｔｎのうち最小値と下限値Ｔｍｉｎとを比較し、メタル温度Ｔｎが下限値Ｔｍｉｎ未満の場合に、演算部５０２に信号（停止信号）を出力する。
演算部５０２は、温度比較部５０１から出力された第２メタル信号を入力すると、メタル温度Ｔｎに基づいて、記憶部５０３に格納されたメタル温度Ｔｎと冷却剤流量調節弁６９の開度との関係を示すテーブルから冷却剤流量調節弁６９の開度を取得（演算）する。そして、演算部５０２は、冷却剤流量調節弁６９に信号Ｓ５を出力して冷却剤流量調節弁６９の開度を取得した開度に調整し、冷却孔６０２を介して燃焼室５に冷却剤を供給する。一方、演算部５０２は、温度比較部５０１から停止信号を入力すると、冷却剤流量調節弁６９に信号Ｓ６を出力して冷却剤流量調節弁６９の開度をゼロに調整する。
（効果）
図１２は、本実施形態に係るガスタービンプラントにおける燃料切り替え過程の燃料流量及びメタル温度の変化を示す図である。
本実施形態では、隣り合う２つの外周空気孔群５２の間の領域Ｓａ〜Ｓｆに位置するように、少なくとも１つの冷却孔６０２が空気孔プレート２０に設けられている。そのため、図１２に例示するように、冷却孔６０１を流れる冷却剤により空気孔プレート２０を冷却し、メタル温度Ｔｍを低下させるとともに、空気孔プレート２０の領域Ｓａ〜Ｓｆにおいても、冷却孔６０２を流れる冷却剤により空気孔プレート２０を冷却し、メタル温度Ｔｎを低下させることができる。従って、第１実施形態に比べて、空気孔プレート２０をより迅速に冷却することができる。加えて、本実施形態では、冷却系統数を第１実施形態よりも増やしているので、その分、空気孔プレート２０の冷却の自由度を高めることができる。従って、ガスタービンの種々の運転条件に応じて空気孔プレート２０を冷却することができる。
また、本実施形態では、熱電対４０１，４０２の計測値（メタル温度Ｔｍ，Ｔｎ）と上限値Ｔｍａｘとを比較し、メタル温度Ｔｍが上限値Ｔｍａｘより大きい場合（図８の時刻ｔｃ１）に冷却孔６０１に冷却剤を供給し、メタル温度Ｔｎが上限値Ｔｍａｘより大きい場合（図８の時刻ｔｃ２）に冷却孔６０２に冷却剤を供給している。そのため、図１２に例示するように、メタル温度Ｔｍ，Ｔｎを上限値Ｔｍａｘ以下で保持することができ、空気孔プレート２０の構造強度をより確保し、燃焼器３の信頼性をより向上させることができる。
また、本実施形態では、熱電対４０１，４０２の計測値（メタル温度Ｔｍ，Ｔｎ）と下限値Ｔｍｉｎとを比較し、メタル温度Ｔｍが下限値Ｔｍｉｎ未満の場合（図８の時刻ｔｄ１）に冷却孔６０１への冷却剤の供給を停止し、メタル温度Ｔｎが下限値Ｔｍｉｎ未満の場合（図８の時刻ｔｄ２）に冷却孔６０２への冷却剤の供給を停止している。そのため、図１２に例示するように、メタル温度Ｔｍ，Ｔｎを下限値Ｔｍｉｎ以上で保持することができ、冷却剤により燃焼室５内の火炎温度が低下して火炎が不安定化することをより確実に回避し、燃焼器３の信頼性をより向上させることができる。
＜その他＞
本発明は上述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、上述した各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、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することも可能である。
上述した各実施形態では、熱電対４０１，４０２の測定値に応じて冷却剤流量調節弁６８，６９の開度を調節し、冷却剤の流量を制御する構成について説明した。しかしながら、本発明の本質的効果は、ガスタービン燃焼器の構造物の過度な温度上昇を抑制し、ガスタービン燃焼器の信頼性を確保することであり、この本質的効果を得る限りにおいては、必ずしも上述した構成である必要はない。例えば、熱電対４０１，４０２の測定値が上限値Ｔｍａｘ付近では冷却剤を多めに供給し、下限値Ｔｍｉｎ付近では冷却剤を少なめに供給する構成としても良い。
また、上述した各実施形態では、制御装置５００の記憶部５０３がメタル温度Ｔｍと冷却剤流量調節弁６８，６９の開度との関係を示すテーブルを格納する構成について説明した。しかしながら、上述した本発明の本質的効果を得る限りにおいては、必ずしもこの構成である必要はない。例えば、制御装置５００の演算部５０２が上述したテーブルを格納する構成としても良い。
また、上述した各実施形態では、燃料ノズル２２，２８の先端が空気孔群５１，５２に挿し込まれていない構成を説明したが、燃料ノズル２２，２８の先端を空気孔群５１，５２内に挿入してもよい。この場合、空気孔群５１，５２の入口面積が減少するため、空気噴流の流速が増加し、燃料ノズル２２，２８から噴射される燃料と空気との混合が更に促進される。
１ ガスタービンプラント
２ 圧縮機
３ ガスタービン燃焼器（燃焼器）
４ タービン
５ 燃焼室
２０ 空気孔プレート
２２ パイロットバーナ用燃料ノズル（燃料ノズル）
２８ メインバーナ用燃料ノズル（燃料ノズル）
５１ 中央空気孔群（空気孔群）
５２ 外周空気孔群（空気孔群）
５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ 空気孔
６７ 冷却剤遮断弁（弁）
６８，６９ 冷却剤流量調節弁（弁）
１１０ 燃焼ガス
２０５，２０６ 冷却配管
２２０ 冷却剤供給源（供給源）
４０１，４０２ 熱電対（温度センサ）
５００ 制御装置
５０１ 温度比較部
５０２ 冷却剤流量演算部（演算部）
６０１，６０２ 冷却孔（孔部）

Claims (5)

  1. 燃料を噴射する複数の燃料ノズルと、前記複数の燃料ノズルに対応して形成された複数の空気孔を有し、前記複数の燃料ノズルの燃料の流れ方向の下流側に設けられた空気孔プレートと、前記複数の空気孔から噴射された燃料と空気とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼室とを備えたガスタービン燃焼器において、
    前記空気孔プレートは、複数の前記空気孔からなる中央空気孔群と、複数の前記空気孔からなり、前記中央空気孔群を囲うように形成された複数の外周空気孔群とを有し、
    隣り合う２つの前記外周空気孔群と前記中央空気孔群とで囲われた領域に位置するように前記空気孔プレートに設けられた孔部及び温度センサと、
    冷却剤の供給源と、
    前記孔部と前記供給源を接続する冷却配管と、
    前記冷却配管に設けられた弁と、
    前記温度センサの計測値に基づき前記弁を駆動する制御装置と
    を備えることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  2. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
    前記孔部は、前記空気孔プレートの中心から延び、隣り合う２つの前記外周空気孔群の間を通る直線上に形成されている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、
    前記制御装置は、
    前記温度センサの計測値と設定値とを比較する温度比較部と、
    前記温度センサの計測値が前記設定値より大きい場合に、前記弁に信号を出力する演算部と
    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１に記載のガスタービン燃焼器において、
    隣り合う２つの前記外周空気孔群の間に位置するように、少なくとも１つの他の孔部が前記空気孔プレートに更に設けられていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  5. 空気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機から供給される圧縮空気を燃料と混合して燃焼する請求項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され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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