JP2022120737A - ガスタービンエンジンの燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】 未燃ガス処理のために、未燃ガスが供給されるガスタービンエンジンの燃焼器に於いて、未燃ガスと共に燃焼器へ供給される補助燃料量をできるだけ低減できるようにする。【解決手段】 ガスタービンエンジン１の燃焼器２は、圧縮空気が供給されて未燃ガスと補助燃料を燃焼する燃焼室１２と、燃焼室内の保炎領域ＰＢへ補助燃料のみを供給するパイロット燃料供給手段１３と、パイロット燃料供給手段から供給する補助燃料量を調節する第一の補助燃料量調節手段６ａと、保炎領域に連続した燃焼室内の未燃ガス燃焼領域ＭＢへ未燃ガスと補助燃料を供給する主燃料供給手段１４と、主燃料供給手段から供給する補助燃料量を調節する第二の補助燃料量調節手段６ｂとを有し、第一の補助燃料量調節手段が、ガスタービンエンジンの作動中に亙って保炎領域にて火炎を保持するようにパイロット燃料供給手段から供給される補助燃料量を調節する。【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに係り、より詳細には、未燃ガス処理に利用されるガスタービンエンジンの燃焼器に係る。

工場や種々の産業機械などから排出されるガスに於ける未燃ガス、例えば、コークス炉の排ガス、ＶＯＣガス、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯ等の燃焼余地のあるガス、の処理の一つの手法として、未燃ガスを、ガスタービンエンジンの燃料として燃焼し、燃焼して得られたエネルギーを電気エネルギーや機械エネルギーとして回収する構成が知られている。かかる構成に於いて、上記の如き未燃ガスは、一般に、発熱量が小さく、単独では、ガスタービンエンジンを安定的に駆動することは困難なので、通常は、未燃ガスは、発熱量がより高い燃料（補助燃料、助燃燃料）と混合されてガスタービンエンジンへ供給される。そのような技術として、例えば、特許文献１では、製鉄プロセスの高炉で発生する低発熱量の高炉ガスを処理するために、高炉ガスと、より高発熱量のコークス炉ガスなどの助燃燃料とを混合したガスを、ガスタービンエンジン燃料として用いる構成として、発熱量が異なる複数種類の燃料ガスのそれぞれの流量を、混合され圧縮された後の燃料ガスの温度とガスタービン負荷に基づいて、助燃燃料を必要最小限の使用量に抑制するように調節することが提案されている。また、同文献の構成では、ガスタービンエンジンの起動時には、軽油などの起動用燃料で、ガスタービンエンジンを回転させ、ガスタービンエンジンの回転が無負荷定格回転数に到達した後に、供給するガスを、高炉ガスと助燃燃料（コークス炉ガス）とを混合したガスに切り替えるよう構成されている。

特開２０１０－２１６３１９

上記の如き未燃ガスをガスタービンエンジンで燃料として供給し燃焼することにより、未燃ガスの処理とエネルギーの回収とを行う構成に於いては、資源の有効活用、ランニングコスト低減等の観点から、燃焼処理に於いて、未燃ガスと共に使用される補助燃料の量を極力低減できることが好ましい。この点に関し、ガスタービンエンジンが安定的に作動するには、その燃焼器に於いては、空気流量と燃料成分の比率（当量比）が、吹消が発生しないように保炎に適した当量比になっている必要があるところ、上記の従来の技術の構成の如く、未燃ガスと補助燃料を供給ラインで混ぜて燃焼室へ供給する場合、未燃ガスが補助燃料に混ざった状態で燃料ノズルから供給されることになり、補助燃料の量を極限まで減らすことは困難である。また、ガスタービンエンジンが安定的に回転し続けるため、或いは、ガスタービンエンジンに対する負荷要求（発電要求など）に応じた負荷変動に対応できるように、燃焼室へ供給される補助燃料の量が、保炎状態を維持したまま、増減できるようになっていることが望ましい。

かくして、本発明の一つの課題は、未燃ガス処理のために、未燃ガスを燃料として供給されるガスタービンエンジンの燃焼器に於いて、未燃ガスと共に燃焼器へ供給される補助燃料量をできるだけ低減できるようにする構成を提供することである。

また、本発明のもう一つの課題は、上記の如きガスタービンエンジンの燃焼器に於いて、保炎のための補助燃料量をできるだけ低減できるようにする構成を提供することである。

本発明によれば、上記の課題は、未燃ガスと補助燃料とが供給され燃焼されるガスタービンエンジンの燃焼器であって、
前記未燃ガスと前記補助燃料と圧縮空気とが供給されて前記未燃ガスと前記補助燃料とが燃焼される燃焼室と、
前記燃焼室内の保炎領域へ前記補助燃料のみを供給するパイロット燃料供給手段と、
前記パイロット燃料供給手段から供給される前記補助燃料の量を調節する第一の補助燃料量調節手段と、
前記保炎領域に連続した前記燃焼室内の未燃ガス燃焼領域へ前記未燃ガスと前記補助燃料とを供給する主燃料供給手段と、
前記主燃料供給手段から供給される前記補助燃料の量を調節する第二の補助燃料量調節手段と
を有し、
前記第一の補助燃料量調節手段が、前記パイロット燃料供給手段から供給される前記補助燃料の量を前記ガスタービンエンジンの作動中に亙って前記保炎領域に於ける火炎を保持する量に調節するよう構成されている燃焼器
によって達成される。

上記の構成に於いて、「ガスタービンエンジン」は、燃焼器に於ける燃料と圧縮空気との燃焼により得られた高温高圧のガスでタービンを回転駆動し、回転力を得ると共に、燃焼器へ供給する空気を圧縮する圧縮機を駆動するよう構成された任意の形式のガスタービンエンジンであってよい。「未燃ガス」は、上記の如く、工場などの施設の産業機械や運輸機械の排ガスに於ける種々の燃焼余地のあるガスであってよい。「補助燃料」は、ガスタービンエンジンの燃料として通常用いられる燃料であってよく、都市ガスなどの気体燃料や灯油等の液体燃料であってよい。「圧縮空気」は、圧縮機が大気から取り込んだ空気を圧縮しつつ送出して燃焼室に任意の態様にて供給される。「燃焼室」は、ガスタービンエンジンの燃焼器に於ける通常の態様の燃料と圧縮空気とが混合されて燃焼される室であってよいところ、その内部に於いて、主として「パイロット燃料供給手段」から供給された燃料が分散する領域である「保炎領域」と、「主燃料供給手段」から供給された燃料が分散する領域である「未燃ガス燃焼領域」とを有する。ここで、「保炎領域」とは、上記の如く、ガスタービンエンジンの作動中に亙って火炎が保持されるようにパイロット燃料供給手段から補助燃料が与えられ、「未燃ガス燃焼領域」とは、未燃ガス、或いは、未燃ガスと補助燃料とが与えられ、それらの燃焼が発生させられる領域である。なお、「ガスタービンエンジンの作動中に亙って」とは、ガスタービンエンジンの始動時と、その後に安定的に回転作動を継続している状態を含む作動状態を意味するものとしている。「パイロット燃料供給手段」は、補助燃料を「保炎領域」に噴射又は噴霧する任意の形式のノズルであってよく、「主燃料供給手段」は、未燃ガス及び補助燃料を「未燃ガス燃焼領域」に噴射又は噴霧する任意の形式のノズルであってよい。主燃料供給手段に於いては、未燃ガスと補助燃料とが適宜混合されて送出されるようになっていてよい。「第一の補助燃料量調節手段」と「第二の補助燃料量調節手段」とは、それぞれ、パイロット燃料供給手段から供給される補助燃料の量（補助燃料保炎流量）と主燃料供給手段から供給される補助燃料の量（補助燃料余分流量）とを調節する任意の手段であってよく、例えば、燃料を供給する管の流通量を調節する弁であってよい。そして、第一の補助燃料量調節手段が、パイロット燃料供給手段から供給される補助燃料の量を、ガスタービンエンジンの作動中に亙って、保炎領域に於ける火炎を保持する量に調節するよう構成される。

上記の本発明の燃焼器の構成に於いては、燃焼室の「保炎領域」へ補助燃料のみが供給され、ガスタービンの作動中に亙って火炎が保持されることとなる。かかる構成によれば、燃焼室内に供給される未燃ガスの状態によらずに、或いは、ガスタービンエンジンの負荷変動により供給される補助燃料の総量を増減する場合にも、燃焼室内に火炎が保持されることとなるので、燃焼室内に於ける燃焼状態が維持されることとなる。また、保炎領域に於いて分散される燃料は、ほぼ、発熱量を大きい補助燃料であるので、火炎の保持のために要求される当量比に於いて、圧縮空気量に対する補助燃料の量は、より発熱量の低い未燃ガスの存在下よりも、少なくすることが可能となる。そして、保炎領域にて火炎が保持されることで、保炎領域に連続した未燃ガス燃焼領域に於いても、より発熱量の低い未燃ガスも容易に燃焼することとなる。かくして、上記の本発明の構成に於いては、燃焼室内に、燃料として補助燃料だけが供給されて、様々な運転状態においても、火炎が保持される保炎領域を構成することにより、燃焼室内にて吹消をさせずに、燃焼状態を維持するために必要な補助燃料の量を低減することが可能となる。なお、パイロット燃料供給手段と保炎領域の構成（ジオメトリ）は、より少ない補助燃料量にて火炎が保持できるように適宜設計される。典型的には、燃焼室に於いて、保炎領域の火炎が未燃ガス燃焼領域へ均等に伝わりやすいように、未燃ガス燃焼領域が保炎領域を囲繞するように構成されていてよい。

上記の本発明の燃焼器の構成に於いて、保炎領域に供給される燃料は、実質的には、補助燃料だけとなるので、保炎領域の保炎に必要な当量比を達成するための補助燃料の量、即ち、補助燃料保炎流量は、保炎領域に流通する空気量に対応して決定可能である。燃焼室内の保炎領域の幾何学的な構成は設計により決定されるので、保炎領域に流通する空気量は、燃焼室に於ける圧縮空気の入口に於ける圧力と温度との関数である。従って、補助燃料保炎流量は、燃焼室に於ける圧縮空気の入口に於ける圧力と温度とに基づいて決定されてよい。実施の形態に於いては、燃焼室に於ける圧縮空気の入口に於ける圧力と温度に対応した補助燃料保炎流量を決定するマップを、実験等により、予め調製しておき、ガスタービンの運転時には、燃焼室に於ける圧縮空気の入口に於ける圧力と温度の計測値を参照してマップを用いて、補助燃料保炎流量が決定され、第一の補助燃料量調節手段が、かかる補助燃料保炎流量にて、パイロット燃料供給手段から供給する補助燃料を調節するようになっていてよい。また、既に述べた如く、資源の有効活用とランニングコスト低減のためには、補助燃料の供給量はできるだけ少なくすべきであり、更に、安定燃焼のため、及び、ＮＯｘ、ＣＯの低減のためには、燃料の比率はできるだけ低い方がよい。従って、パイロット燃料供給手段から供給される補助燃料保炎流量は、保炎領域に於ける火炎の保持に必要な最小量であってよい。なお、補助燃料保炎流量は、前記の最小量の場合と発明の作用効果にほぼ影響を与えない範囲で、かかる最小量に（適宜設定可能な）所定量を加えた量であってもよく、そのような場合も本発明の範囲に属することは理解されるべきである。

更に、上記の本発明の燃焼器の構成に於いて、燃焼室へ供給されるべき燃料の総量（補助燃料の総量と未燃ガスの総量との和）は、ガスタービンエンジンの運転状態に応じて決定される。例えば、未燃ガスの処理を主な目的とする場合には、未燃ガスを燃焼させるのに十分であるとともに、ガスタービンエンジンが安定的な回転状態を維持できるように、燃焼室へ燃料（補助燃料と未燃ガス）が供給されればよい。或いは、ガスタービンエンジンの出力が種々の用途に利用される場合に、それらの用途からの出力の要求に応じて、ガスタービンエンジンの負荷を制御する場合には、要求された出力量を達成できるように、燃焼室へ燃料が供給されてよい。一方、燃焼室温度が過大にならないように、燃焼室へ供給される燃料量を制御することが好ましい。燃焼室温度は、圧縮空気の入口温度或いは更に未燃ガスの温度などによって影響される（より具体的には、燃焼室温度は、概ね、圧縮空気の温度から燃料の燃焼により発生する熱量による温度の上昇分を加算した値に見積もられる。）。従って、燃焼室へ供給されるべき燃料の総量は、ガスタービンエンジンの利用状況に応じて、ガスタービンエンジンの出力状態、例えば、回転数、出力トルク、燃焼室の温度などに基づいて、ガスタービンエンジンの目的の回転状態を達成しつつ、燃焼室の温度が高くなり過ぎないように、任意の手法にて決定されてよい。なお、燃焼室の温度を直接に計測することは通常困難なので、実施の態様に於いては、燃焼室へ供給されるべき燃料の総量は、燃焼室の温度の決定因子となる燃焼室の入口の圧力と温度を参照して決定されてよい。

かかる構成に於いて、燃焼室へ供給されるべき補助燃料の総量は、燃焼室へ供給されるべき燃料の総量と未燃ガスの供給量とに基づいて、決定されるところ、パイロット燃料供給手段から供給される補助燃料の量は、上記の如く、燃焼室に於ける圧縮空気の入口に於ける圧力と温度とに基づいて決定されるので、主燃料供給手段から供給される補助燃料の量は、燃焼室へ供給されるべき補助燃料の総量からパイロット燃料供給手段から供給される補助燃料の量を差し引いた量とされてよい。また、単位量当たりの熱量は、補助燃料と未燃ガスとで異なるので、燃焼室へ供給されるべき補助燃料の総量は、燃焼室へ供給されるべき燃料の総熱量から、主燃料供給手段から供給される未燃ガスの熱量を差し引いた熱量に相当する燃料量とされてよい。これにより、ガスタービンエンジンの利用状況に対応して、より適切な量にて、補助燃料が、保炎領域と未燃ガス燃焼領域とへ供給されることが期待される。

なお、上記の補助燃料の供給量の制御に於いて、パイロット燃料供給手段から供給される補助燃料の量は、保炎のために燃焼室に於ける圧縮空気の入口に於ける圧力と温度に応じて決定されるので、ガスタービンエンジンの負荷が変動するときには、主燃料供給手段から供給される補助燃料の量が変更されることとなる。従って、本発明の燃焼器に於いては、主燃料供給手段から供給される補助燃料の量は、ガスタービンエンジンの負荷に対応して増減するようになっていてよい。

上記の構成に於いて、未燃ガスの供給量は、その流量が直接に計測できるときには、流量にて計測されてよいが、流量を直接に計測することが困難な場合などでは、未燃ガスの流量と相関を有するパラメータ（温度、圧力など）から推定されてよい。更にまた、上記の構成に於いて、未燃ガスの燃焼室への成り行きの流入量が過剰となる場合、例えば、未燃ガスの流入量に対応する熱量が、燃焼室へ供給されるべき燃料の総量から補助燃料保炎流量を差し引いて得られる量に相当する熱量を超える場合など、には、未燃ガスの燃焼室の流入量が制限できるようになっていることが好ましい。そこで、上記の本発明の燃焼器に於いては、主燃料供給手段から供給される未燃ガスの量を調節する未燃ガス調節手段が設けられ、未燃ガスの燃焼室の流入量を適宜制御できるようになっていてよい。未燃ガス調節手段は、未燃ガスを供給する管の流通量を調節する弁であってよい。

かくして、上記の本発明によれば、未燃ガスをガスタービンエンジンにより処理する構成に於ける燃焼器に於いて、未燃ガスの状態或いはガスタービンエンジンの負荷変動などによらずに、補助燃料だけが供給されて火炎を保持する保炎領域を燃焼室内に構成することにより、火炎の維持のための補助燃料の使用量を低減することが可能となり、未燃ガスの処理とエネルギーの回収に於ける更なる資源の有効活用とランニングコスト低減とが期待される。また、本発明の構成に於いては、燃焼室内の火炎の維持のための燃料量の決定に於いて、補助燃料だけが供給される保炎領域での当量比を考慮すればよく、補助燃料にそれと熱量の異なる未燃ガスが混在する状態に吹消が生じないように補助燃料の供給量を決定する場合よりも、より簡便に、火炎の維持のための必要な燃料量を決定することが可能となることが期待される。更に、ガスタービンエンジンの負荷が変動する場合には、結局、保炎のための燃料量とは別に、ガスタービンエンジンの負荷に応じて未燃ガス燃焼領域へ供給する補助燃料量を増減するだけでよく、補助燃料量の制御が容易となることが期待される。本発明の構成は、工場等の施設の産業機械や輸送機械からの排ガスの処理に有利に用いられてよい。

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。

図１（Ａ）は、本実施形態による燃焼器が適用されるガスタービンエンジンの概略構成を表わした模式図である。図１（Ｂ）は、本実施形態による燃焼器の一つの態様の概略構成を表わした図である。 図２は、本実施形態による燃焼器に於ける補助燃料の供給流量を決定する処理の一つの態様の構成をブロック図の形式にて表わした図である。 図３は、本実施形態による燃焼器に於ける補助燃料の供給流量を決定する処理の別の態様の構成をブロック図の形式にて表わした図である。 図４（Ａ）は、本実施形態による燃焼器のもう一つの態様の概略構成を表わした図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の態様の燃焼器に於ける補助燃料の供給流量を決定する処理の一つの態様の構成をブロック図の形式にて表わした図である。

１…ガスタービンエンジン
２…燃焼器
３…タービン
３ａ…タービン出力軸
３ｂ…タービン回転計測器
４…圧縮機
５…未燃ガス供給ライン
５ａ…未燃ガス流量計測器
５ｂ…未燃ガス流量制御弁
６…補助燃料供給ライン
６ａ…パイロット補助燃料流量制御弁
６ｂ…補助燃料余分流量制御弁
６ｐ…補助燃料保炎流量供給ライン
６ｒ…補助燃料余分流量供給ライン
７…圧縮空気供給ライン
７ａ…燃焼室入口の圧縮空気温度計測器
７ｂ…燃焼室入口の圧縮空気圧力計測器
８…燃焼ガス送出ライン
９…排ガス排出ライン
１０…熱交換器
１２…燃焼室
１３…パイロット補助燃料供給ノズル
１４…補助燃料・未燃ガス供給ノズル
５０…制御装置
ＰＢ…保炎領域
ＭＢ…未燃ガス燃焼領域

ガスタービンエンジンの構成
図１（Ａ）を参照して、本実施形態の燃焼器は、未燃ガスの処理のために、未燃ガスが燃料の一部として供給されるガスタービンエンジン１に適用される。ガスタービンエンジン１は、この分野で使用される通常のガスタービンエンジンと同様に、燃焼器２、タービン３及び圧縮機４を有する。燃焼器２は、燃料として、未燃ガスが未燃ガス供給ライン５から、補助燃料が補助燃料供給ライン６（６ｐ、６ｒ）から、それぞれ、供給され、それらの燃料を、圧縮機４からの圧縮空気供給ライン７から供給される圧縮空気を用いて、燃焼して、高温高圧の燃焼ガスを燃焼ガス送出ライン８へ送出する。未燃ガスとしては、「発明の概要」の欄に於いて既に触れた如く、工場などの施設の産業機械や運輸機械の排ガスに於ける任意の燃焼余地のあるガス、例えば、コークス炉の排ガス、ＶＯＣガス、ＣＯ、ＨＣ、ＮＯ等などであってよい。これらの未燃ガスは、一般に、発熱量が小さいので、ガスタービンエンジンが確実に作動できるように、より発熱量が大きい補助燃料が供給される。補助燃料としては、既に触れた如く、ガスタービンエンジンの燃料として通常用いられる燃料であってよく、都市ガスなどの気体燃料や灯油等の液体燃料であってよい。タービン３は、燃焼ガス送出ライン８からの燃焼ガスにより回転され、その回転によって、圧縮機４が回転し、大気中から取り込んだ空気Ａｔを圧縮して、圧縮空気供給ライン７へ送出する。また、タービン３の回転軸３ａには、図示していない任意の機械器具、典型的には、発電機が接続され、タービン３の回転エネルギーが、発電機等の機械器具にて回収され或いは機械の作動のためのエネルギーとして使用される。また、タービン３から排出される排出ガスは、高温なので、その熱エネルギーを燃焼器２へ与えられる圧縮空気の昇温に利用し、エネルギー効率を向上できるように、排ガスの流通する排出ライン９と圧縮空気供給ライン７とが熱交換器１０を通過し、排ガスの熱エネルギーが圧縮空気へ伝達されるよう構成されていてよい。なお、後に説明される如く、燃焼器２へ供給される補助燃料の流量又は更に未燃ガスの流量の制御のために、燃焼器２の圧縮空気の入口に於ける圧縮空気の温度Ｔ₃₅と圧力Ｐ₃₅が、それぞれ、温度計測器７ａと圧力計測器７ｂとにより計測され、未燃ガスの流量Ｇ_ｕｇ又は更に温度Ｔ_ｕｇがそれぞれ流量計測器５ａと温度計測器（図示せず）とにより計測されるようになっていてよい。

上記の構成に於いて、補助燃料の供給量の制御は、制御装置５０により実行される。制御装置５０は、通常の形式の、双方向コモン・バスにより相互に連結されたＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力ポート装置を有するコンピュータ及び駆動回路を含むコンピュータ装置により構成されてよく、その作動は、プログラムに従ったコンピュータ装置の作動により実現されてよい。制御装置５０は、温度計測器７ａと圧力計測器７ｂからの圧縮空気の状態、流量計測器５ａからの未燃ガスの流量又は更に温度、タービン出力を検出するタービン回転計測器３ｂからのタービン３の回転数又は更にトルクなどを参照して、後に説明されるパイロット補助燃料流量制御弁６ａと補助燃料余分流量制御弁６ｂとに於ける補助燃料の流量を調節するように構成されていてよい（更に、後に説明されるもう一つの実施形態に於いては、未燃ガス流量制御弁５ｂにより未燃ガスの流量を制御するようになっていてよい。（図４参照））。

燃焼器の構成
本実施形態の燃焼器２は、より具体的には、図１（Ｂ）に示されている如く、燃焼室１２に於いて、未燃ガス供給ライン５からの未燃ガスと、補助燃料供給ライン６からの補助燃料とが供給され、圧縮空気供給ライン７からの圧縮空気が流入して（図１（Ｂ）に於いて、図示せず。）、未燃ガスと補助燃料とが燃焼されるよう構成される。かかる構成に於いて、補助燃料供給ライン６は、パイロット補助燃料供給ノズル１３（パイロット燃料供給手段）へ接続される補助燃料保炎流量供給ライン６ｐと、補助燃料・未燃ガス供給ノズル１４（主燃料供給手段）へ接続される補助燃料余分流量供給ライン６ｒとに分かれ、これらのラインには、それぞれ、パイロット補助燃料流量制御弁６ａと、補助燃料余分流量制御弁６ｂが設けられて、それぞれのノズルへ供給される補助燃料の流量が制御される構成される。また、補助燃料・未燃ガス供給ノズル１４には、更に、未燃ガス供給ライン５が接続され、補助燃料・未燃ガス供給ノズル１４からは、未燃ガスと補助燃料とが、典型的には、適当に混合されて、供給されるようになっていてよい。なお、パイロット補助燃料供給ノズル１３及び補助燃料・未燃ガス供給ノズル１４からの燃料の供給は、燃料が適当に分散するように、各燃料を噴射又は噴霧することにより達成されてよい（ただし、燃料供給の態様は、これに限定されない。）。そして、燃焼室１２の内部に於いて、パイロット補助燃料供給ノズル１３からの補助燃料が、概ね、領域ＰＢに亙って分散し、補助燃料・未燃ガス供給ノズル１４からの補助燃料と未燃ガスとが、概ね、領域ＭＢに亙って分散するように供給されるように、燃焼室１２の構造が設計され形成される。なお、図１（Ｂ）に於いて、領域ＰＢが領域ＭＢに重なって描かれているが、実際には、燃焼室１２は概ね筒状構造であり、領域ＰＢと領域ＭＢとはそれらの境界が接するように分割される。典型的には、以下に説明される如く、領域ＰＢで生じた火炎ができるだけ均等に領域ＭＢへ伝わるように、領域ＰＢの周囲を領域ＭＢが囲繞するように構成されていてよい。

上記の燃焼器２の構成に於いては、領域ＰＢには、実質的には、補助燃料のみが分散され、補助燃料よりも発熱量の小さい未燃ガスは、領域ＭＢに於いて分散される。そして、領域ＰＢに於いては、ガスタービンエンジンの作動中に亙って、即ち、エンジンの始動時だけでなく、通常の運転状態に於いて、特に、広範にガスタービンエンジンの負荷が変動し得る状態に於いても、火炎が保持されるように、補助燃料が供給され、これにより、領域ＰＢの火炎が、領域ＭＢへ伝わり、そこに於いて、未燃ガスがより確実に燃焼されることとなる。従って、領域ＰＢ「保炎領域」と称し、領域ＭＢを「未燃ガス燃焼領域」と称する。また、ガスタービンエンジンの安定的な回転状態を得るため、或いは、後に説明されるように、発電機等のタービンに接続された機械器具の要求に対応して、ガスタービンエンジンの負荷を増大すべく、補助燃料の量を保炎領域ＰＢへ供給する分よりも増大する必要があるときには、かかる補助燃料の増分は、未燃ガスと共に、領域ＭＢへの供給されることとなる。

上記の燃焼器２の構成によれば、負荷状態の変化や未燃ガスの状態の変化によらず、保炎領域ＰＢに於いて火炎が保持されているので、負荷状態の変化や未燃ガスの状態の変化があっても、燃焼室内が吹消状態になることが回避されることとなる。また、保炎領域ＰＢに於いて火炎を保持する際に、かかる保炎領域ＰＢには、燃料として、実質的には、発熱量の大きい補助燃料だけが分散していることになるので、補助燃料は、発熱量の小さい未燃ガスが共に分散している場合よりも少ない量にて発火し、火炎が保持できることとなる。かくして、保炎領域ＰＢに、実質的に、補助燃料だけが分散されるよう補助燃料を供給することによれば、保炎のために最適化した当量比に於ける補助燃料の量を、（未燃ガスと共に分散する場合に比して）より低減することが可能となる。また、保炎領域ＰＢは、補助燃料だけが分散されるようにしているので、補助燃料の量をできるだけ少なくした状態で火炎を維持できるように当量比が得られるように保炎領域ＰＢを設計し形成することが可能となる一方、ガスタービンエンジンの負荷の変動に応じた補助燃料の増分は、未燃ガス燃焼領域ＭＢに供給されるので、その場合でも、保炎領域ＰＢは燃料がリッチ状態にならず、安定燃焼とＮＯｘやＣＯの発生抑制とが達成される点でも有利である。

補助燃料の流量の制御
上記の本実施形態の燃焼器２に於いて、燃焼室１２へは、未燃ガスと補助燃料とが燃料として供給されるところ、一つの態様に於いては、未燃ガスは、その排出元から排出された後にそのまま未燃ガス供給ライン５から燃焼室１２へ供給される一方、補助燃料については、保炎領域ＰＢと未燃ガス燃焼領域ＭＢとにそれぞれ供給される流量（保炎流量、余分流量）が、制御装置５０に於いて、ガスタービンエンジンの運転状態を考慮して、図２にブロック図の形式にて描かれた態様にて決定されてよい。制御装置５０は、燃焼室１２へ供給される未燃ガスと補助燃料を合わせた燃料の総量Ｇ_ｓｆを決定する燃料総流量演算部と、保炎領域ＰＢへ供給される補助燃料の流量（保炎流量）Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}を決定する補助燃料保炎流量演算部と、未燃ガス燃焼部ＭＢへ供給される補助燃料の流量（余分流量）Ｇ_ｓｆｒｅを決定する補助燃料余分流量演算部とを含んでいてよい。

同図を参照して、具体的には、まず、燃料総流量演算部に於いて、未燃ガスと補助燃料を合わせた燃料の総量Ｇ_ｓｆは、ガスタービンエンジンに於ける安定的な回転作動が達成されるように決定される。この点に関し、燃焼室１２の温度が過剰に高温とならないように、供給される燃料の総量が制限されるようになっていてよい。従って、燃料の総量Ｇ_ｓｆは、具体的には、タービン３の回転軸３ａの回転数又は更に出力トルクと、燃焼室１２内の温度とを監視して、タービン３の回転が安定し且つ燃焼室１２の温度が過剰とならないように決定されてよい。ここで、タービン３の作動について、未燃ガスの燃焼処理に対応して、タービン３の出力（負荷）が成り行きであってもよく、その場合には、タービン３の回転出力の目標値（目標出力）は、タービン３の回転が安定する値であってよく、必要な燃料量は、タービン３の回転がかかる目標出力を達成するように決定されてよい。或いは、タービン３の出力は、タービン３の回転軸３ａに接続された発電機等の機械器具の要求に対応して変動させるようになっていてもよく、その場合には、タービン３の出力が任意の手法にて発電機等の機械器具の要求に対応して決定された目標値（目標出力）を達成するように、目標出力を参照して、必要な燃料量が供給されるようになっていてよい。また、上記の燃焼室１２内の温度は、燃焼室１２の入口に於ける圧縮空気の熱量に対して燃料の発熱量を加えることにより決まるので、圧縮空気の燃焼室１２の入口にて計測される温度Ｔ_３５と圧力Ｐ_３５とから燃焼室１２内に流入されることとなる燃料の発熱量を考慮して推定可能である。そこで、燃焼室１２内の温度を直接に計測するのではなく、図示の如く、圧縮空気の燃焼室１２の入口の温度Ｔ_３５と圧力Ｐ_３５に基づいて、供給される燃料の総量が制限されるようになっていてもよい。この点に関し、未燃ガスが燃焼室１２へ供給される場合に、未燃ガス自体の温度が高いほど、燃焼室１２内の温度が高くなるので、供給される燃料の総量Ｇ_ｓｆは、更に、未燃ガス温度Ｔ_ｕｇを参照して決定されるようになっていてもよい（未燃ガスの流量が少ない場合は、未燃ガス温度Ｔ_ｕｇの影響は小さいので、その参照が省略されてよい。）。

次に、補助燃料保炎流量Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}について、既に述べた如く、保炎領域ＰＢには、実質的には、火炎を保持するための補助燃料のみが供給されるので、補助燃料保炎流量Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}は、保炎領域ＰＢを通流する圧縮空気の量に対応して、火炎を保持するのに最適な当量比となるように決定されてよい。保炎領域ＰＢを通流する圧縮空気量は、圧縮空気の燃焼室１２の入口の温度Ｔ_３５と圧力Ｐ_３５に基づいて決定できるので、補助燃料保炎流量演算部に於いて、補助燃料保炎流量Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}は、温度Ｔ_３５と圧力Ｐ_３５に基づいて、決定されてよい。実施の態様に於いては、予め、実験等により、圧縮空気の温度Ｔ_３５と圧力Ｐ_３５を変数として、上記の最適な当量比を与える補助燃料保炎流量Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}を決定するマップを準備しておき、ガスタービンエンジンの作動に於いては、逐次的に計測された温度Ｔ_３５と圧力Ｐ_３５を用いて、補助燃料保炎流量Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}がマップ演算により与えられるようになっていてよい。なお、補助燃料保炎流量Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}は、火炎を保持するように決定されるが、かかる流量が燃焼して発生する熱量は、ガスタービンエンジンの出力の一部として寄与する。既に述べた如く、補助燃料保炎流量Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}は、補助燃料の使用量の節約と、安定燃焼とＮＯｘやＣＯの発生抑制とのために、できるだけ少ないことが望ましいので、保炎領域ＰＢに於ける火炎の保持に必要な最小量であってよいところ、最小量の場合と発明の作用効果にほぼ影響を与えない範囲で、かかる最小量に（適宜設定可能な）所定量を加えた量であってもよい。

未燃ガス燃焼部ＭＢへ供給される補助燃料余分流量Ｇ_ｓｆｒｅは、保炎領域ＰＢに於ける補助燃料保炎流量Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}の燃焼と未燃ガス燃焼領域ＭＢに於ける未燃ガスの燃焼とに得られる熱量に対して、燃焼室１２の温度が過剰とならないようにタービン３が目標出力を発生した状態又は安定に回転する状態を達成するために、更に必要な熱量を補うように供給される。従って、補助燃料余分流量Ｇ_ｓｆｒｅは、燃焼室１２へ供給されるべき燃料の総流量Ｇ_ｓｆと、補助燃料保炎流量Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}と、熱量換算した未燃ガス換算流量Ｇ_ｕｇ ^＊とを用いて、下記の如く与えられてよい。
Ｇ_ｓｆｒｅ＝Ｇ_ｓｆ－Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}－Ｇ_ｕｇ ^＊ …（１）
（未燃ガス換算流量Ｇ_ｕｇ ^＊は、未燃ガスの実際の流量Ｇ_ｕｇに、単位流量当たりの熱量比（補助燃料発熱量／未燃ガス発熱量）を乗じて得られる値である。）
かくして、補助燃料余分流量演算部に於いては、図示の如く、燃料総流量演算部からの燃料総流量Ｇ_ｓｆ、補助燃料保炎流量Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}及び未燃ガス流量Ｇ_ｕｇを参照して、式（１）により、補助燃料余分流量Ｇ_ｓｆｒｅが決定されてよい。

実施の形態に於いては、上記の燃料総流量Ｇ_ｓｆ、補助燃料保炎流量Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}及び補助燃料余分流量Ｇ_ｓｆｒｅが、ガスタービンエンジンの作動中に亙って、逐次的に算出され、制御装置５０から、補助燃料が、それぞれ、補助燃料保炎流量Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}と補助燃料余分流量Ｇ_ｓｆｒｅとにて、パイロット補助燃料供給ノズル１３と補助燃料・未燃ガス供給ノズル１４とから供給されるように、パイロット補助燃料流量制御弁６ａと、補助燃料余分流量制御弁６ｂとへ制御指令が与えられる。なお、本実施形態に於いては、既に触れた如く、ガスタービンエンジンの作動中に亙って、即ち、エンジンの始動時だけでなく、安定的に作動している状態に於いても、保炎領域ＰＢに、補助燃料だけが、保炎流量Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}にて供給され、保炎領域ＰＢに於いて火炎が維持されるようになっていることは理解されるべきである。

上記の補助燃料の流量の制御に於いて、
Ｇ_ｓｆ－Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}－Ｇ_ｕｇ ^＊＝０
Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}＝Ｇ_ｓｆ－Ｇ_ｕｇ ^＊ …（２）
が成立しているときに、エンジン駆動力と負荷が釣り合って回転数が一定に維持されている状態が、最も効率よく未燃ガスを処理できる状態となる。そして、上記の制御に於いて、式（２）の状態から、発電要求又は負荷要求が増加する場合等、エンジン負荷が増大する場合は、負荷に応じたエンジン回転数を維持するために、回転数等のエンジン状態からフィードバック制御により燃料流量を演算し、出力されることとなる。ここに於いて、保炎領域ＰＢでは、火炎を維持できる当量比が、好適には、補助燃料保炎流量が最小値となるように構成され、燃焼がリッチ状態にならず、ＮＯｘ、ＣＯの発生をできるだけ抑制できるようになっているところ、補助燃料余分流量Ｇ_ｓｆｒｅは、保炎領域ＰＢではなく、未燃ガス燃焼領域へ供給されるので、補助燃料が増減しても、保炎領域ＰＢの最適な状態が保たれ、ＮＯｘ、ＣＯの発生をできるだけ抑制した状態が維持されることとなる。

上記の補助燃料の流量の制御に於いて、未燃ガス流量Ｇ_ｕｇは、未燃ガス供給ライン５にて直接的に計測した値ではなく、未燃ガス流量と相関をもつ任意の量が計測されて、未燃ガス流量に換算されるなどして、参照されてよい。そのような量として、具体的には、炉の稼働率や未燃ガスを排出する対象の出力等が考えられ、又、未燃ガスの組成が変化する場合は未燃ガス成分量が参照されてよい。例えば、かかる構成は、工場によっては未燃ガスの流量が計測できない場合に適用されてよい。

ところで、図２のブロック図からも理解される如く、補助燃料保炎流量Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}は、ガスタービンエンジンの運転状態（回転数等）を参照せずに、燃焼室１２へ流入される圧縮空気の温度と圧力とに基づいて決定され、ガスタービンエンジンの運転状態を安定化するために、或いは、発電機等のタービンに接続された機械からの要求に対応して負荷を変動するために調節される燃料流量は、補助燃料余分流量Ｇ_ｓｆｒｅとなる。また、後に説明される別の実施形態の如く未燃ガス流量の調節機構が設けられていない場合には、未燃ガスの流量は、その排出元からの成り行きで、決定される。従って、補助燃料余分流量Ｇ_ｓｆｒｅは、実質的には、ガスタービンエンジンの運転状態のフィードバック制御により、調節されてよい。かくして、補助燃料余分流量Ｇ_ｓｆｒｅは、図３に描かれている如く、それぞれ、補助燃料保炎流量Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}とは別に、タービン回転数やトルクなどのタービン出力を参照して、目標出力が達成されるように調節されるようになっていてよい。この場合、未燃ガスの流量の変動によるタービンの回転状態の変化は、補助燃料余分流量Ｇ_ｓｆｒｅの調節により吸収されることとなる。

未燃ガスの流量が調節可能な形態
本実施形態のガスタービンエンジンは、未燃ガス処理を主目的としているので、未燃ガスは、流量が調節されずに、燃焼室１２へ流入されるのが一般的であるところ、ガスタービンエンジンの運転状態の安定化や燃焼器の過熱の回避などのために、図４（Ａ）に模式的に描かれている如く、未燃ガスの流量を調節するための手段として、未燃ガス流量制御弁５ｂが設けられてよい。未燃ガス流量の調節が実行される構成の場合、制御装置５０に於いては、図４（Ｂ）のブロック図に示されている如く、補助燃料余分流量演算部に於いて、燃料総流量Ｇ_ｓｆ、補助燃料保炎流量Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}及び未燃ガス流量Ｇ_ｕｇが参照され、補助燃料余分流量Ｇ_ｓｆｒｅと、未燃ガス流量制御弁５ｂにて制御される未燃ガスの燃焼室１２への供給量（未燃ガス制御流量）Ｇ_{ｕｇｍａｘ}とが決定される。既に述べた如く、補助燃料余分流量Ｇ_ｓｆｒｅは、式（１）で決定されるところ、例えば、未燃ガス換算流量Ｇ_ｕｇ ^＊が大きく、Ｇ_ｓｆｒｅ＜０となってしまう場合には、Ｇ_ｓｆｒｅ≧０が成立するように、未燃ガス制御流量Ｇ_{ｕｇｍａｘ}が決定されてよい（Ｇ_ｓｆｒｅ＜０となる場合は、Ｇ_ｓｆ＜Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}＋Ｇ_ｕｇ ^＊となり、補助燃料保炎流量Ｇ_{ｓｆｍｉｎ}と未燃ガス流量Ｇ_ｕｇとの和がガスタービンエンジンの運転状態の安定化や燃焼器の過熱の回避を考慮して決定された燃料総流量Ｇ_ｓｆを超えてしまうために、燃焼室１２へ供給される未燃ガス流量が制限されることとなる。）。そして、燃焼室１２へ実際に供給される未燃ガス流量が未燃ガス制御流量Ｇ_{ｕｇｍａｘ}となるように、制御装置５０から未燃ガス流量制御弁５ｂに対して制御指令が与えられてよい。

かくして、上記の本実施形態に於いては、燃焼器は、未燃ガスを燃焼処理しつつ、その熱量を回収するガスタービンエンジンに於いて、その運転状態を安定化すべく燃焼室１２へ供給される補助燃料が、燃焼室内での火炎を保持するための流量と負荷変動に応じた運転状態を達成するための流量とで、それぞれ、別々の領域に供給されるように構成される。かかる構成により、火炎の保持のための補助燃料量をできるだけ少なくすることができると共に、負荷変動に応じて安定なガスタービンエンジンの運転状態を達成でき、資源の有効活用及びランニングコスト低減が期待される。

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。

Claims (9)

1. 未燃ガスと補助燃料とが供給され燃焼されるガスタービンエンジンの燃焼器であって、
   前記未燃ガスと前記補助燃料と圧縮空気とが供給されて前記未燃ガスと前記補助燃料とが燃焼される燃焼室と、
   前記燃焼室内の保炎領域へ前記補助燃料のみを供給するパイロット燃料供給手段と、
   前記パイロット燃料供給手段から供給される前記補助燃料の量を調節する第一の補助燃料量調節手段と、
   前記保炎領域に連続した前記燃焼室内の未燃ガス燃焼領域へ前記未燃ガスと前記補助燃料とを供給する主燃料供給手段と、
   前記主燃料供給手段から供給される前記補助燃料の量を調節する第二の補助燃料量調節手段と
   を有し、
   前記第一の補助燃料量調節手段が、前記パイロット燃料供給手段から供給される前記補助燃料の量を前記ガスタービンエンジンの作動中に亙って前記保炎領域に於ける火炎を保持する量に調節するよう構成されている燃焼器。
2. 請求項１による燃焼器であって、前記保炎領域に於ける保炎に必要な前記補助燃料の量が前記燃焼室に於ける前記圧縮空気の入口に於ける圧力と温度とに基づいて決定される燃焼器。
3. 請求項１又は２による燃焼器であって、前記パイロット燃料供給手段から供給される前記補助燃料の量が前記保炎領域に於ける火炎の保持に必要な最小量又は該最小量に所定量を加えた量である燃焼器。
4. 請求項１乃至３のいずれかによる燃焼器であって、前記主燃料供給手段から供給される前記補助燃料の量が、前記燃焼室へ供給されるべき前記補助燃料の総量から前記パイロット燃料供給手段から供給される前記補助燃料の量を差し引いた量である燃焼器。
5. 請求項４による燃焼器であって、前記燃焼室へ供給されるべき前記補助燃料の総量が、前記燃焼室へ供給されるべき燃料の総熱量から、前記主燃料供給手段から供給される前記未燃ガスの熱量を差し引いた熱量に相当する燃料量である燃焼器。
6. 請求項１乃至５のいずれかによる燃焼器であって、前記主燃料供給手段から供給される前記補助燃料の量が、前記ガスタービンエンジンの負荷に対応して増減する燃焼器。
7. 請求項１乃至６のいずれかによる燃焼器であって、前記主燃料供給手段から供給される前記未燃ガスの供給量が前記未燃ガスの流量と相関を有するパラメータから推定される燃焼器。
8. 請求項１乃至７のいずれかによる燃焼器であって、更に、前記主燃料供給手段から供給される前記未燃ガスの量を調節する未燃ガス調節手段を有する燃焼器。
9. 請求項１乃至８のいずれかによる燃焼器であって、前記燃焼室に於いて、前記未燃ガス燃焼領域が前記保炎領域を囲繞するように構成されている燃焼器。

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