JP2022190447A - トーチ点火機構付きバーナおよびその運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】着火条件によらず、供給した燃料および酸化剤における混合気に確実に着火することができるトーチ点火機構付きバーナおよびその運転方法を提供する。【解決手段】実施形態のバーナ１は、トーチ部１０と主燃料－主酸化剤供給部９０とを備える。トーチ部１０は、トーチ部ケーシング内に設けられ燃料と酸化剤を燃焼させるトーチ燃焼器ライナ３５と、燃料を供給するトーチ燃料供給部２５と、酸化剤を供給するトーチ酸化剤供給部２０と、燃料と空気の混合気を着火させる点火装置と、トーチ部１０の中央に配置されトーチ燃焼器ライナ３５内の燃焼ガスをトーチ部１０の一端側に導く燃焼ガス配管４０とを備える。主燃料－主酸化剤供給部９０は、トーチ部１０の外周に環状に形成された主燃料供給通路１００と、主燃料供給通路１００の外周に環状に形成された主酸化剤供給通路１１０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、トーチ点火機構付きバーナおよびその運転方法に関する。
ガスタービンの燃焼器において、バーナから供給された燃料と酸化剤を燃焼器ライナ内において燃焼させる拡散燃焼方式が採用された燃焼器がある。この燃焼器は、燃焼器ライナ内で混合された燃料と酸化剤の混合気に着火する点火装置を備える。
燃焼器に備えられる点火装置として、燃焼器ライナ内の混合気をレーザによって着火するレーザ点火装置や、燃焼器ライナ内の混合気を火花放電によって着火する火花点火装置が採用されている。
従来の燃焼器では、筒体で構成される燃焼器ライナの中心軸方向（燃焼器ライナの長手方向）に対して垂直な方向から燃焼器ライナ内の最適な位置に、レーザ光が照射され、または点火プラグが配置されている。レーザ光の照射や点火プラグの挿入が行われる最適な位置は、例えば、燃焼器ライナ内への燃料や酸化剤の噴出パターン、着火に最適な燃料と酸化剤の混合気が形成される位置などの着火条件に基づいて設定される。
このような燃焼器を備える火力発電プラントにおいて、高効率化が進められる中、超臨界ＣＯ２雰囲気中で燃料と酸化剤を燃焼させる拡散燃焼方式の燃焼器を備えた超臨界ＣＯ２ガスタービン設備が検討されている。この超臨界ＣＯ２ガスタービン設備では、タービンから排出された作動流体の一部は、循環ガスとして燃焼器に循環される。
この超臨界ＣＯ２ガスタービン設備では、超高圧の環境下での運転条件となるため、圧力容器としての燃焼器ケーシングの肉厚も厚くなる。また、燃焼器ケーシングと燃焼器ライナとの間には、循環する循環ガスを流すための循環ガス流路が備えられる。
このような超高圧の環境下で運転される燃焼器においては、作動流体の漏洩などを防止する観点から、点火装置として、非接触な着火が可能なレーザ点火装置が検討されている。
従来のレーザ点火装置は、レンズによってレーザ光を絞り、耐圧ガラスを介して燃焼器ライナ内にレーザ光を照射している。この場合においても、レーザ光は、筒体で構成される燃焼器ライナの中心軸方向に対して垂直な方向から燃焼器ライナ内の最適な位置に照射される。
特開２０１２－１１７５３５号公報
ガスタービンの燃焼器においては、着火条件によって、レーザ光を照射する最適な中心軸方向位置や点火プラグを配置する最適な中心軸方向位置は異なる。しかしながら、上記した従来の燃焼器において、着火条件によって、レーザ光を照射する中心軸方向位置や点火プラグを配置する中心軸方向位置を変更することができない。そのため、着火条件が変更された場合、最適な着火を行うことができないことがある。
また、超臨界ＣＯ２ガスタービン設備では、肉厚の燃焼器ケーシングおよび循環ガス流路を備えるため、レンズの焦点距離は長くなる。そのため、確実に着火させるためには、レーザ出力を高める必要がある。レーザ出力を高めることによって、耐圧ガラスの損傷リスクが高くなる。
本発明が解決しようとする課題は、着火条件によらず、供給した燃料および酸化剤における混合気に確実に着火することができるトーチ点火機構付きバーナおよびその運転方法を提供するものである。
実施形態のトーチ点火機構付きバーナは、軸方向に延びる管状のトーチ部と、前記トーチ部の一端側に設けられ、前記トーチ部の外周に環状に形成された燃料－酸化剤供給部とを備える。
そして、前記トーチ部は、トーチ部ケーシングと前記トーチ部ケーシング内に設けられた、燃料と酸化剤を燃焼させるトーチ燃焼器ライナと、前記トーチ燃焼器ライナ内に燃料を供給するトーチ燃料供給部と、前記トーチ燃焼器ライナ内に酸化剤を供給するトーチ酸化剤供給部と、前記トーチ燃焼器ライナ内の燃料と空気の混合気を着火させる点火装置と、前記トーチ燃焼器ライナから前記トーチ部の一端側に向かって延設されるとともに前記トーチ部の中央に配置され、前記トーチ燃焼器ライナで生成された燃焼ガスを前記トーチ部の一端側に導く燃焼ガス配管と、前記トーチ燃焼器ライナおよび前記燃焼ガス配管と、前記トーチ部ケーシングとの間に環状に形成され、前記トーチ部の一端側に向かって冷却媒体を導く冷却媒体通路とを備える。
また、前記燃料－酸化剤供給部は、前記トーチ部の外周に環状に形成された主燃料供給通路と、前記主燃料供給通路の外周に環状に形成された主酸化剤供給通路とを備える。
実施の形態のバーナの縦断面を模式的に示した図である。 実施の形態のバーナにおけるトーチ部および火炎検知機構の縦断面を拡大して模式的に示した図である。 実施の形態のバーナにおけるトーチ部の一部および燃料－酸化剤供給部の縦断面を拡大して模式的に示した図である。 実施の形態のバーナの運転方法を実行する制御装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態のバーナの運転方法を説明するためのタイムチャートである。 実施の形態のバーナの運転方法を説明するためのフローチャートである。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、実施の形態のバーナ１の縦断面を模式的に示した図である。図２は、実施の形態のバーナ１におけるトーチ部１０および火炎検知機構７０の縦断面を拡大して模式的に示した図である。図３は、実施の形態のバーナ１におけるトーチ部１０の一部および主燃料－主酸化剤供給部９０の縦断面を拡大して模式的に示した図である。図３には、バーナ１が取付けられる主燃焼器ライナ１２０も示している。なお、バーナ１は、トーチ点火機構付きバーナとして機能する。
バーナ１は、バーナ１が取付けられる主燃焼器ライナ１２０内に燃料および酸化剤を供給するとともに、その供給した燃料および酸化剤の混合気を着火するための着火源（燃焼ガス）を供給する機能を備える。なお、バーナ１の一端側が主燃焼器ライナ１２０に取り付けられている。
図１に示すように、バーナ１は、トーチ部１０と、火炎検知機構７０と、主燃料－主酸化剤供給部９０とを備える。また、バーナ１は、バーナ１の運転制御を実行する制御装置１３０も備える。
トーチ部１０、火炎検知機構７０および主燃料－主酸化剤供給部９０は、中心軸Ｏを中心軸として配置されている。すなわち、トーチ部１０、火炎検知機構７０および主燃料－主酸化剤供給部９０は、同軸上に配置されている。
まず、トーチ部１０の構成について説明する。
トーチ部１０は、燃焼ガスを生成し、その燃焼ガスを主燃焼器ライナ１２０内に着火源として導く。トーチ部１０は、中心軸Ｏの方向に延びる管状部材で構成されている。なお、以下において、中心軸Ｏの方向を単に軸方向と称する。
図１および図２に示すように、トーチ部１０は、主として燃料および酸化剤を供給する機能を備える第１のトーチ構成部１０Ａと、主として燃料および酸化剤を燃焼させる機能を備える第２のトーチ構成部１０Ｂと、主として燃焼ガスを主燃焼器ライナ１２０内に導く機能を備える第３のトーチ構成部１０Ｃとを備える。
各トーチ構成部は、主燃料－主酸化剤供給部９０側（バーナ１の一端側）に向かって、第１のトーチ構成部１０Ａ、第２のトーチ構成部１０Ｂ、第３のトーチ構成部１０Ｃの順に配置されている。
図２に示すように、第１のトーチ構成部１０Ａは、第１のトーチ部ケーシング１１と、トーチ酸化剤供給部２０と、トーチ燃料供給部２５とを備える。
第１のトーチ部ケーシング１１は、例えば、両端にフランジ部１２、１３を備える筒体で構成される。第１のトーチ部ケーシング１１の両端は、開口されている。第１のトーチ部ケーシング１１の火炎検知部７５側（バーナ１の他端側）の端部には、封止板１７が備えられている。この封止板１７は、フランジ部１２に取り付けられている。
第１のトーチ部ケーシング１１内には、軸方向に沿って両端が開口した筒体１４が備えられている。筒体１４の火炎検知部７５側の端部は、図２に示すように、例えば、半径方向外側に環状に突出するフランジ部１４ａを備える。また、筒体１４は、フランジ部１４ａがフランジ部１２と封止板１７によって挟まれることで固定されている。
ここで、半径方向外側とは、中心軸Ｏに垂直な方向で、かつ中心軸Ｏから遠ざかる側である。
トーチ酸化剤供給部２０は、第２のトーチ構成部１０Ｂに備えられるトーチ燃焼器ライナ３５内に酸化剤を供給する。トーチ酸化剤供給部２０は、トーチ酸化剤供給通路１５と、トーチ酸化剤供給管２１とを備える。
トーチ酸化剤供給通路１５は、酸化剤をトーチ燃焼器ライナ３５に導く。トーチ酸化剤供給通路１５は、筒体１４と第１のトーチ部ケーシング１１との間に軸方向に形成された環状通路で構成される。トーチ酸化剤供給通路１５の火炎検知部７５側の端部は、例えば、筒体１４のフランジ部１４ａによって封鎖されている。
トーチ酸化剤供給通路１５の出口には、トーチ燃焼器ライナ３５に噴出される酸化剤の流を旋回流とするスワーラ１６が備えられている。
トーチ酸化剤供給管２１は、酸化剤供給源（図示しない）から供給された酸化剤をトーチ酸化剤供給通路１５に供給する。トーチ酸化剤供給管２１の一端は、例えば、第１のトーチ部ケーシング１１の側壁に形成された貫通孔１１ａに連通するように側壁に接合される。酸化剤は、貫通孔１１ａを介してトーチ酸化剤供給管２１からトーチ酸化剤供給通路１５に供給される。なお、トーチ酸化剤供給管２１には、酸化剤の流量を調整する流量調整弁２２が備えられている。
酸化剤として、例えば、酸素、酸素に二酸化炭素を混合した混合ガス、酸素に水蒸気を混合した混合ガス、空気などが挙げられる。例えば、超臨界ＣＯ２ガスタービン設備にバーナ１を備える場合には、臨界圧力以上に昇圧された酸化剤がトーチ酸化剤供給管２１に供給される。
トーチ燃料供給部２５は、トーチ燃焼器ライナ３５内に燃料を供給する。トーチ燃料供給部２５は、トーチ燃料導入通路２６と、トーチ燃料供給管２７とを備える。
トーチ燃料導入通路２６は、例えば、燃料をトーチ酸化剤供給通路１５の出口に設けられたスワーラ１６内に導入する。なお、ここでは、燃料をスワーラ１６内に導入するトーチ燃料導入通路２６の構成の一例を示しているが、この構成に限られない。トーチ燃料導入通路２６は、例えば、トーチ燃焼器ライナ３５内に燃料を直接噴出するように構成されてもよい。
トーチ燃料導入通路２６は、例えば、図２に示すように、第１のトーチ部ケーシング１１のフランジ部１３に形成される。トーチ燃料導入通路２６は、例えば、フランジ部１３の外側面からスワーラ１６が備えられる位置のトーチ酸化剤供給通路１５に貫通する貫通孔で構成される。
トーチ燃料供給管２７は、燃料供給源（図示しない）から供給された燃料をトーチ燃料導入通路２６に供給する。トーチ燃料供給管２７の一端は、トーチ燃料導入通路２６に連通するように、フランジ部１３の外側面に接合される。なお、トーチ燃料供給管２７には、燃料の流量を調整する流量調整弁２８が備えられている。
なお、トーチ燃料供給部２５の構成は、上記した構成に限られない。例えば、トーチ燃料供給管２７から供給された燃料がトーチ酸化剤供給通路１５に周方向に亘って均等に供給できるように構成されてもよい。具体的には、例えば、複数のトーチ燃料供給部２５をフランジ部１３の周方向に放射状に備えてもよい。
燃料として、例えば、メタン、天然ガスなどの炭化水素が使用される。また、燃料として、例えば、一酸化炭素および水素などを含む石炭ガス化ガス燃料を使用することもできる。さらに、燃料として、例えば、水素を使用することもできる。
第２のトーチ構成部１０Ｂは、第２のトーチ部ケーシング３０と、トーチ燃焼器ライナ３５と、燃焼ガス配管４０と、冷却媒体通路４５と、点火装置５０とを備える。
第２のトーチ部ケーシング３０は、例えば、両端にフランジ部３１、３２を備える筒体で構成される。第２のトーチ部ケーシング３０の両端は、開口されている。フランジ部３１は、第１のトーチ部ケーシング１１のフランジ部１３と接合されている。フランジ部３２は、後述する第３のトーチ部ケーシング６０のフランジ部６１と連結されている。
トーチ燃焼器ライナ３５は、トーチ燃料導入通路２６から供給された燃料と、トーチ酸化剤供給通路１５から供給された酸化剤を燃焼させる。ここで、主燃焼器ライナ１２０が主燃焼室としての機能を備える場合、トーチ燃焼器ライナ３５は、副燃焼室としての機能を備える。
トーチ燃焼器ライナ３５は、第２のトーチ部ケーシング３０内に軸方向に沿って備えられている。図２に示すように、トーチ燃焼器ライナ３５は、例えば、両端が開口した円錐台状の筒体である。トーチ燃焼器ライナ３５は、先端側（下流側）に行くに伴って流路断面積が小さくなっている。
トーチ燃焼器ライナ３５の第１のトーチ部ケーシング１１側（上流側）の端部は、図２に示すように、例えば、半径方向外側に環状に突出するフランジ部３５ａを備える。トーチ燃焼器ライナ３５は、フランジ部３５ａがフランジ部３１とフランジ部１３によって挟まれることで固定されている。
また、トーチ燃焼器ライナ３５には、冷却媒体通路４５からトーチ燃焼器ライナ３５内に冷却媒体を導入するための複数の貫通孔３６が形成されている。なお、図２には、貫通孔３６からトーチ燃焼器ライナ３５内に導入される冷却媒体の流れを矢印で示している。
燃焼ガス配管４０は、トーチ燃焼器ライナ３５で生成された燃焼ガスをトーチ部の一端側（バーナ１の一端側）に導く。燃焼ガス配管４０は、トーチ燃焼器ライナ３５の下流端に接続されている。燃焼ガス配管４０は、トーチ燃焼器ライナ３５の下流端からトーチ部の一端側に向かって延設されている。
燃焼ガス配管４０は、トーチ部１０の中央に配置され、筒体１４およびトーチ燃焼器ライナ３５と同軸上に配置されている。燃焼ガス配管４０は、例えば、円管などで構成される。
冷却媒体通路４５は、トーチ燃焼器ライナ３５と第２のトーチ部ケーシング３０との間、燃焼ガス配管４０と第２のトーチ部ケーシング３０との間に軸方向に形成された環状通路で構成される。冷却媒体通路４５は、トーチ燃焼器ライナ３５の上流側からトーチ部の一端側に向かって延設されている。冷却媒体通路４５における上流部に供給された冷却媒体は、冷却媒体通路４５によってトーチ部の一端側に導かれる。
冷却媒体通路４５の上流側の端部は、例えば、トーチ燃焼器ライナ３５のフランジ部３５ａによって封鎖されている。
また、第２のトーチ構成部１０Ｂには、冷却媒体通路４５に冷却媒体を供給するための冷却媒体導入通路４６および冷却媒体供給管４７を備える。
冷却媒体導入通路４６は、冷却媒体通路４５に冷却媒体を供給する。冷却媒体導入通路４６は、例えば、図２に示すように、第２のトーチ部ケーシング３０のフランジ部３１に形成される。冷却媒体導入通路４６は、例えば、フランジ部３１の外側面から冷却媒体通路４５に貫通する貫通孔で構成される。
冷却媒体供給管４７は、冷却媒体供給源（図示しない）から供給された冷却媒体を冷却媒体導入通路４６に供給する。冷却媒体供給管４７の一端は、冷却媒体導入通路４６に連通するように、フランジ部３１の外側面に接合される。なお、冷却媒体供給管４７には、冷却媒体の流量を調整する流量調整弁４８が備えられている。
冷却媒体として、例えば、二酸化炭素、水蒸気、空気などが使用される。例えば、超臨界ＣＯ２ガスタービン設備にバーナ１を備える場合には、臨界圧力以上に昇圧された冷却媒体が冷却媒体供給管４７に供給される。
点火装置５０は、トーチ燃焼器ライナ３５内の燃料と空気の混合気を着火させる。点火装置５０は、第２のトーチ部ケーシング３０に形成された貫通孔３３を介してトーチ燃焼器ライナ３５内の混合気に着火できるように配置されている。なお、貫通孔３３は、トーチ燃焼器ライナ３５の外周に位置する第２のトーチ部ケーシング３０に形成される。
点火装置５０は、例えば、図２に示すように、トーチ燃焼器ライナ３５の外周に位置する第２のトーチ部ケーシング３０に備えられる。
点火装置５０として、レーザ光によって着火するレーザ点火装置、点火プラグによって着火する火花点火装置などが使用される。レーザ点火装置は、非接触で着火できるなどの利点がある。また、従来のガスタービンにおける燃焼器内の圧力よりも高圧となる超臨界ＣＯ２ガスタービン設備にバーナ１を備える場合には、燃焼ガスなどの漏洩を考慮するとレーザ点火装置を採用することが好ましい。
なお、本実施の形態では、点火装置５０として、レーザ点火装置を備えた場合の一例を示している。
貫通孔３３の、冷却媒体通路４５側の端部には、貫通孔３３を塞ぐようにレーザ透過部材５１が設けられている。レーザ透過部材５１は、例えば、レーザ光を透過する平板状の耐熱ガラスなどで構成される。なお、レーザ透過部材５１として、レーザ光を透過する平板状の耐熱樹脂などを使用してもよい。
ここで、トーチ燃焼器ライナ３５の、貫通孔３３に対向する位置には、レーザ光をトーチ燃焼器ライナ３５内に照射するための貫通孔３７が形成されている。点火装置５０から出射されたレーザ光は、貫通孔３３、レーザ透過部材５１、貫通孔３７を通りトーチ燃焼器ライナ３５内に照射される。
また、冷却媒体通路４５を流れる冷却媒体は、レーザ透過部材５１の一方の表面と接触する。そのため、この冷却媒体は、トーチ燃焼器ライナ３５、燃焼ガス配管４０およびレーザ透過部材５１を冷却するとともに、レーザ透過部材５１の一方の表面に付着した異物を除去する。
ここで、トーチ部１０において、点火装置５０は、第２のトーチ部ケーシング３０に備えられている。そして、レーザ光は、第２のトーチ部ケーシング３０の貫通孔３３、トーチ燃焼器ライナ３５の貫通孔３７を介して、中心軸Ｏに対して所定の角度を有して第２のトーチ構成部１０Ｂの側方からトーチ燃焼器ライナ３５内に照射される。トーチ燃焼器ライナ３５内における着火条件は、ほぼ一定であるため、レーザ光を照射する最適な中心軸方向位置は一定の位置となる。そのため、レーザ光が第２のトーチ構成部１０Ｂの側方から照射されても、最適な着火を行うことができる。
また、第２のトーチ部ケーシング３０の肉厚は、主燃焼器ライナ１２０を収容する主燃焼器のケーシングの肉厚に比べて薄い。さらに、点火装置５０におけるレーザを集光させるレンズの焦点距離は短い。そのため、点火装置５０におけるレーザ出力は、従来の主燃焼器におけるレーザ点火装置のレーザ出力に比べて低い。これによって、レーザ透過部材５１がレーザ光によって損傷することもない。
第３のトーチ構成部１０Ｃは、第３のトーチ部ケーシング６０と、燃焼ガス配管４０と、冷却媒体通路４５とを備える。
第３のトーチ部ケーシング６０は、例えば、一端にフランジ部６１を備える筒体で構成される。第３のトーチ部ケーシング６０は、軸方向にバーナ１の出口まで延設されている。第３のトーチ部ケーシング６０の両端は、開口されている。フランジ部６１は、第２のトーチ部ケーシング３０のフランジ部３２と連結されている。
なお、この第３のトーチ部ケーシング６０と、前述した、第１のトーチ部ケーシング１１と、第２のトーチ部ケーシング３０とによってトーチ部ケーシングを構成している。
第３のトーチ部ケーシング６０内には、前述した燃焼ガス配管４０が軸方向にバーナ１の出口まで延設されている。すなわち、燃焼ガス配管４０は、トーチ燃焼器ライナ３５の下流端からバーナ１の出口まで延設されている。燃焼ガス配管４０は、バーナ１の出口において開口している。
ここで、燃焼ガス配管４０の出口が軸方向に平行な直管形状で構成された一例が示されているが、この構成に限られない。燃焼ガス配管４０の出口は、噴出される燃焼ガスが半径方向外側に広がるように構成されてもよい。これによって、燃焼ガスの流れは、燃料と酸化剤が供給される側に広がる。
例えば、燃焼ガス配管４０の出口にスワーラを備えてもよい。また、例えば、燃焼ガス配管４０の出口を環状の拡大通路としてもよい。燃焼ガス配管４０の出口の形状を拡大管による二重管構造としてもよい。すなわち、燃焼ガス配管４０の出口を断面積が徐々に広がる拡大管で構成し、さらにその内側にそれよりも小径の円錐状部材を頂点を上流側に向けて配置して、環状の拡大通路を構成してもよい。これによって、燃焼ガスの噴出速度を低下させることなく、燃焼ガスを半径方向外側に広げることができる。
第３のトーチ部ケーシング６０と燃焼ガス配管４０との間には、前述した冷却媒体通路４５が軸方向にバーナ１の出口まで延設されている。すなわち、冷却媒体通路４５は、トーチ燃焼器ライナ３５の上流側からバーナ１の出口まで延設されている。冷却媒体通路４５は、バーナ１の出口において開口している。
次に、火炎検知機構７０の構成について説明する。
火炎検知機構７０は、トーチ燃焼器ライナ３５内に形成される火炎または主燃焼器ライナ１２０内に形成される火炎を検知する。火炎検知機構７０は、トーチ燃焼器ライナ３５よりもトーチ部１０の他端側に設けられる。
火炎検知機構７０は、検知部ケーシング７１と、火炎検知部７５と、火炎検知用通路８０と、光透過部材７２と、浄化媒体供給部８５とを備える。
火炎検知部７５は、トーチ燃焼器ライナ３５内に形成される火炎または主燃焼器ライナ１２０内に形成される火炎を検知する。火炎検知部７５は、トーチ部１０の他端側に設けられる。例えば、図２に示すように、火炎検知部７５は、封止板１７の、第１のトーチ部ケーシング１１側とは反対側の端面に接続された検知部ケーシング７１内に備えられる。
火炎検知部７５は、火炎から放出される赤外線、可視光または紫外線などを検知する光学式火炎検知装置で構成される。
火炎検知用通路８０は、トーチ燃焼器ライナ３５内に形成される火炎または主燃焼器ライナ１２０内に形成される火炎を火炎検知部７５において検知するための通路である。火炎検知用通路８０は、トーチ燃焼器ライナ３５内に連通し、火炎検知部７５側に延設された通路である。
具体的には、火炎検知用通路８０は、図２に示すように、筒体１４内の貫通部１４ｂおよび封止板１７の中央に形成された貫通孔１７ａを備える。貫通部１４ｂは、トーチ燃焼器ライナ３５内に連通する。貫通孔１７ａは、貫通部１４ｂと連通する。貫通部１４ｂおよび貫通孔１７ａは、中心軸Ｏを中心軸として同軸上に形成されている。
ここで、トーチ燃焼器ライナ３５内に形成される火炎を検知するための火炎検知用通路８０は、上記したように、貫通孔１７ａおよび貫通部１４ｂで構成される。この場合、トーチ燃焼器ライナ３５内に形成される火炎からの光は、貫通部１４ｂ、貫通孔１７ａを通り、火炎検知部７５に入射する。
一方、主燃焼器ライナ１２０内に形成される火炎を検知するための火炎検知用通路８０は、貫通部１４ｂ、貫通孔１７ａ、トーチ燃焼器ライナ３５および燃焼ガス配管４０で構成される。この場合、主燃焼器ライナ１２０内に形成される火炎からの光は、燃焼ガス配管４０、トーチ燃焼器ライナ３５、貫通部１４ｂ、貫通孔１７ａを通り、火炎検知部７５に入射する。
ここで、燃焼ガス配管４０、トーチ燃焼器ライナ３５、貫通部１４ｂ、貫通孔１７ａおよび火炎検知部７５は、中心軸Ｏを中心軸として同軸上に形成されている。
なお、点火装置５０は、図１および図２に示すように、上記した火炎検知用通路８０における火炎検知を阻害しない位置に配置されている。
ここで、広い運転範囲で作動されるガスタービンの燃焼器では、運転条件によって火炎が中心軸方向に移動することがある。このように、主燃焼器ライナ１２０内に形成される火炎を軸方向の上流側から検知することで、例えば、火炎が軸方向に変動した場合においていても確実に火炎を検知することができる。
光透過部材７２は、火炎からの光を火炎検知部７５側に透過する。光透過部材７２は、例えば、火炎検知部７５と火炎検知用通路８０との間に設けられる。光透過部材７２は、火炎からの光を透過する平板状の耐熱ガラスなどで構成される。なお、光透過部材７２として、火炎からの光を透過する平板状の耐熱樹脂などを使用してもよい。
浄化媒体供給部８５は、光透過部材７２を浄化する浄化媒体を火炎検知用通路８０に供給する。具体的には、浄化媒体供給部８５は、光透過部材７２の火炎検知用通路８０側の表面に付着した異物を除去するための浄化媒体を火炎検知用通路８０に供給する。なお、浄化媒体は、光透過部材７２を冷却する機能も有する。浄化媒体供給部８５は、浄化媒体導入通路８６と、浄化媒体供給管８７とを備える。
浄化媒体導入通路８６は、浄化媒体を火炎検知用通路８０内に導入する。浄化媒体導入通路８６は、例えば、図２に示すように、封止板１７に形成される。浄化媒体導入通路８６は、例えば、封止板１７の外側面から火炎検知用通路８０に貫通する貫通孔で構成される。なお、浄化媒体導入通路８６の出口は、光透過部材７２に近いことが好ましい。
浄化媒体供給管８７は、浄化媒体供給源（図示しない）から供給された浄化媒体を浄化媒体導入通路８６に供給する。浄化媒体供給管８７の一端は、浄化媒体導入通路８６に連通するように、封止板１７の外側面に接合される。なお、浄化媒体供給管８７には、浄化媒体の流量を調整する流量調整弁８８が備えられている。
浄化媒体として、例えば、二酸化炭素、水蒸気、空気などが使用される。例えば、超臨界ＣＯ２ガスタービン設備にバーナ１を備える場合には、臨界圧力以上に昇圧された浄化媒体が浄化媒体供給管８７に供給される。
ここで、火炎検知部７５が光透過部材７２の機能を備える場合には、光透過部材７２は備えられなくてもよい。この場合、浄化媒体供給部８５も備えられなくてもよい。
次に、主燃料－主酸化剤供給部９０の構成について説明する。
主燃料－主酸化剤供給部９０は、主燃焼器ライナ１２０内に燃料および酸化剤を供給する。図３に示すように、主燃料－主酸化剤供給部９０は、主燃料供給通路１００と、主酸化剤供給通路１１０とを備える。主燃料－主酸化剤供給部９０の出口端面は、例えば、凹凸の無い平面状に構成されている。
また、主燃料－主酸化剤供給部９０は、主燃料供給通路１００に燃料を供給する主燃料供給管９１と、主酸化剤供給通路１１０に酸化剤を供給する主酸化剤供給管９２とを備える。
主燃料供給通路１００は、主燃焼器ライナ１２０内に燃料を供給する。主燃料供給通路１００は、トーチ部１０の、主燃焼器ライナ１２０側の外周に軸方向に形成された環状通路で構成される。
主燃料供給通路１００は、例えば、図３に示すように、第１の主燃料供給通路１０１と、第２の主燃料供給通路１０２とを備える。また、主燃料供給管９１は、第１の主燃料供給通路１０１に燃料を供給する第１の主燃料供給管９１Ａと、第２の主燃料供給通路１０２に燃料を供給する第２の主燃料供給管９１Ｂとを備える。
なお、第１の主燃料供給管９１Ａには、燃料の流量を調整する流量調整弁９３が備えられている。また、第２の主燃料供給管９１Ｂには、燃料の流量を調整する流量調整弁９４が備えられている。
第１の主燃料供給通路１０１および第２の主燃料供給通路１０２は、中心軸Ｏを中心とする同心円状に配置された配管の間に形成される環状通路で構成される。
第１の主燃料供給通路１０１は、トーチ部１０の外周に形成された環状通路で構成される。具体的には、第１の主燃料供給通路１０１は、第３のトーチ部ケーシング６０と配管１０３との間に形成される環状通路で構成される。配管１０３は、第３のトーチ部ケーシング６０の外周に配置される。第１の主燃料供給通路１０１は、第１の主燃料供給管９１Ａと連通している。
第２の主燃料供給通路１０２は、第１の主燃料供給通路１０１の外周に形成された環状通路で構成される。具体的には、第２の主燃料供給通路１０２は、配管１０３と配管１０４との間に形成される環状通路で構成される。配管１０４は、配管１０３の外周に配置される。第２の主燃料供給通路１０２は、第２の主燃料供給管９１Ｂと連通している。
主酸化剤供給通路１１０は、主燃焼器ライナ１２０内に酸化剤を供給する。主酸化剤供給通路１１０は、主燃料供給通路１００の外周に軸方向に形成された環状通路で構成される。
主酸化剤供給通路１１０は、例えば、図３に示すように、第１の主酸化剤供給通路１１１と、第２の主酸化剤供給通路１１２とを備える。また、主酸化剤供給管９２は、第１の主酸化剤供給通路１１１に酸化剤を供給する第１の主酸化剤供給管９２Ａと、第２の主酸化剤供給通路１１２に酸化剤を供給する第２の主酸化剤供給管９２Ｂとを備える。
なお、第１の主酸化剤供給管９２Ａには、酸化剤の流量を調整する流量調整弁９５が備えられている。また、第２の主酸化剤供給管９２Ｂには、酸化剤の流量を調整する流量調整弁９６が備えられている。
第１の主酸化剤供給通路１１１および第２の主酸化剤供給通路１１２は、中心軸Ｏを中心とする同心円状に配置された配管の間に形成される環状通路で構成される。
第１の主酸化剤供給通路１１１は、主燃料供給通路１００の外周に形成された環状通路で構成される。具体的には、第１の主酸化剤供給通路１１１は、配管１０４と配管１１３との間に形成される環状通路で構成される。配管１１３は、配管１０４の外周に配置される。第１の主酸化剤供給通路１１１は、第１の主酸化剤供給管９２Ａと連通している。
第２の主酸化剤供給通路１１２は、第１の主酸化剤供給通路１１１の外周に形成された環状通路で構成される。具体的には、第２の主酸化剤供給通路１１２は、配管１１３と配管１１４との間に形成される環状通路で構成される。配管１１４は、配管１１３の外周に配置される。第２の主酸化剤供給通路１１２は、第２の主酸化剤供給管９２Ｂと連通している。
ここで、例えば、第１の主酸化剤供給通路１１１および第２の主酸化剤供給通路１１２の出口近傍には、酸化剤の流れを旋回流とするスワーラ１１５、１１６が備えられている。例えば、スワーラ１１５によって形成される旋回流の旋回方向は、スワーラ１１６によって形成される旋回流の旋回方向と同じである。
スワーラ１１５、１１６を備えることで、主燃焼器ライナ１２０内の燃焼領域に酸化剤の旋回流による再循環領域が形成される。これによって、燃焼領域においいて燃料と酸化剤の混合が促進されるとともに、安定した火炎が形成される。
なお、ここでは、主燃料供給通路１００および主酸化剤供給通路１１０が、それぞれ複数の通路を備えた一例を示したが、この構成に限られない。主燃料供給通路１００および主酸化剤供給通路１１０は、それぞれ一つずつ備えられてもよい。
ここで、前述したトーチ燃料供給部２５と同様に、主燃料供給通路１００には、燃料として、例えば、メタン、天然ガスなどの炭化水素が使用される。また、燃料として、例えば、一酸化炭素および水素などを含む石炭ガス化ガス燃料を使用することもできる。さらに、燃料として、例えば、水素を使用することもできる。
前述したトーチ酸化剤供給部２０と同様に、主酸化剤供給通路１１０には、酸化剤として、例えば、酸素、酸素に二酸化炭素を混合した混合ガス、酸素に水蒸気を混合した混合ガス、空気などが挙げられる。例えば、超臨界ＣＯ２ガスタービン設備にバーナ１を備える場合には、臨界圧力以上に昇圧された酸化剤が主酸化剤供給通路１１０に供給される。
なお、主燃料供給通路１００に供給される燃料は、トーチ燃料供給部２５に供給される燃料と同じでも、異なっていてもよい。主酸化剤供給通路１１０に供給される酸化剤は、トーチ酸化剤供給部２０に供給される酸化剤と同じでも、異なっていてもよい。
次に、制御装置１３０の構成について説明する。
図４は、実施の形態のバーナ１の運転方法を実行する制御装置１３０の構成を示すブロック図である。
制御装置１３０は、各流量調整弁などを制御して、バーナ１に供給される燃料流量、酸化剤流量、冷却媒体流量、浄化媒体流量などを調整する。制御装置１３０は、入力部１４０と、記憶部１５０と、演算部１６０と、出力部１４１とを備える。
入力部１４０は、例えば、入力装置などからの着火要求信号や負荷要求信号、火炎検知部７５からの検知信号、タイマー装置などからのタイマー信号、各種検知部からの検知信号などを入力する。
記憶部１５０は、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）やランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの記憶媒体で構成される。記憶部１５０は、例えば、各運転工程（運転経過時間）と、トーチ燃焼器ライナ３５内に供給される燃料流量や酸化剤流量の関係を示すトーチ燃料・トーチ酸化剤データ１５１、および各運転工程（運転経過時間）と、主燃焼器ライナ１２０内に供給される燃料流量や酸化剤流量の関係を示す主燃料・主酸化剤データ１５２などを格納している。
また、記憶部１５０は、例えば、各運転工程（運転経過時間）と、冷却媒体通路４５に供給される冷却媒体流量や火炎検知用通路８０に供給される浄化媒体流量の関係を示す冷却媒体・浄化媒体データ１５３などを格納している。さらに、記憶部１５０は、例えば、トーチ燃焼器ライナ３５で生成された燃焼ガスが主燃焼器ライナ１２０内の燃料と酸化剤の混合気を着火するまでの時間に関する主火炎着火時間データ１５４などを格納している。
なお、上記した各データは、各運転時における圧力や温度などの条件を考慮して設定されている。また、上記した各データには、各流量に対応する流量調整弁の弁開度などの情報も格納されている。
演算部１６０は、例えば、入力部１４０からの入力信号、記憶部１５０に格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理を実行する。演算部１６０は、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１、主燃料・主酸化剤供給判定部１６２、冷却媒体・浄化媒体供給判定部１６３、着火判定部１６４、経過時間判定部１６５などを備える。
経過時間判定部１６５は、タイマー装置などからのタイマー信号から運転経過時間を判定する。運転経過時間は、例えば、点火装置５０を作動させた時からの経過時間である。
トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、着火要求信号（着火開始信号）、経過時間判定部１６５における判定結果およびトーチ燃料・トーチ酸化剤データ１５１に基づいて、トーチ燃焼器ライナ３５内に供給するトーチ燃料流量およびトーチ酸化剤流量を特定する。これによって、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、トーチ部１０における着火のための制御を実行する。
トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、経過時間判定部１６５における判定結果およびトーチ燃料・トーチ酸化剤データ１５１に基づいて、トーチ燃焼器ライナ３５内に供給するトーチ燃料流量およびトーチ酸化剤流量を特定する。
また、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、着火判定部１６４における判定結果、経過時間判定部１６５における判定結果およびトーチ燃料・トーチ酸化剤データ１５１に基づいて、トーチ燃焼器ライナ３５内に供給するトーチ燃料流量およびトーチ酸化剤流量を特定する。例えば、着火判定部１６４が主燃焼器ライナ１２０内で燃料と酸化剤の混合気が着火されたと判断した場合には、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、経過時間判定部１６５における判定結果およびトーチ燃料・トーチ酸化剤データ１５１に基づいて、トーチ燃料およびトーチ酸化剤の供給を停止するための処理を実行する。
主燃料・主酸化剤供給判定部１６２は、着火判定部１６４における判定結果、経過時間判定部１６５における判定結果および主燃料・主酸化剤データ１５２に基づいて、主燃焼器ライナ１２０内に供給する主燃料流量および主酸化剤流量を特定する。
冷却媒体・浄化媒体供給判定部１６３は、着火要求信号（着火開始信号）、経過時間判定部１６５における判定結果および冷却媒体・浄化媒体データ１５３に基づいて、冷却媒体通路４５に供給する冷却媒体流量および火炎検知用通路８０に供給する浄化媒体流量を特定する。
着火判定部１６４は、火炎検知部７５からの検知信号に基づいてトーチ燃焼器ライナ３５内に火炎が形成されたか否かを判定する。また、着火判定部１６４は、経過時間判定部１６５および主火炎着火時間データ１５４に基づいて、トーチ燃焼器ライナ３５で生成された燃焼ガスが主燃焼器ライナ１２０内の燃料と酸化剤の混合気を着火するまでの時間に達したか否かを判定する。
ここで、トーチ燃焼器ライナ３５で生成された燃焼ガスが主燃焼器ライナ１２０内の燃料と酸化剤の混合気を着火するまでの着火想定時間Ｔは、次のように定義される。
着火想定時間Ｔ ＝ αＬ／Ｕ ・・・式（１）
Ｌは、図１に示すように、トーチ燃焼器ライナ３５の上流端から燃焼ガス配管４０の下流端までの長さである。Ｕは、トーチ燃焼器ライナ３５および燃焼ガス配管４０を流れる燃焼ガスの平均流速である。αは、安全係数であり、例えば、１．２～１．５の範囲で設定される。安全係数をこの範囲とすることで、トーチ燃焼器ライナ３５で生成された燃焼ガスが主燃焼器ライナ１２０内に確実に到達することができる時間を着火想定時間Ｔとすることができる。
着火想定時間Ｔは、主燃焼器ライナ１２０内で生成された燃焼ガスがトーチ燃焼器ライナ３５の上流端から燃焼ガス配管４０の出口（バーナ１の出口）に達するまでの時間（Ｌ／Ｕ）に安全係数αを乗じた時間である。
出力部１４１は、演算部１６０からの制御信号を、例えば、流量調整弁２２、２８、４８、８８、９３、９４、９５、９６、点火装置５０などに出力する。なお、出力部１４１は、流量調整弁２２、２８、４８、８８、９３、９４、９５、９６、点火装置５０などと通信可能に接続されている。
ここで、上記した制御装置１３０が実行する処理は、例えば、コンピュータ装置などで実現される。
次に、バーナ１の作用およびバーナ１の運転方法について説明する。
図５は、実施の形態のバーナ１の運転方法を説明するためのタイムチャートである。図６は、実施の形態のバーナ１の運転方法を説明するためのフローチャートである。
図５の横軸は、時間を示している。時間は、点火装置５０の作動時を時間ｔ１としている。図５の縦軸は、各制御項目などを示している。
ここでは、点火装置５０の作動時（時間ｔ１）からタービン負荷を上昇し始める時（時間ｔ６）までについて説明する。
図６に示すように、制御装置１３０のトーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、入力部１４０において着火開始信号が入力された否かを判定する（ステップＳ１０）。
ステップＳ１０の判定において、着火開始信号が入力されていないと判定した場合（ステップＳ１０のＮｏ）、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、ステップＳ１０の処理を再度実行する。
ステップＳ１０の判定において、着火開始信号が入力されたと判定した場合（ステップＳ１０のＹｅｓ）、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、トーチ部１０における着火のための制御を実行する（ステップＳ１１）。
また、ステップＳ１０の判定において、着火開始信号が入力されたと判定した場合（ステップＳ１０のＹｅｓ）、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、その情報を冷却媒体・浄化媒体供給判定部１６３に出力する。
そして、冷却媒体・浄化媒体供給判定部１６３は、冷却媒体および浄化媒体の供給のための制御を実行する（ステップＳ１２）。
なお、冷却媒体・浄化媒体供給判定部１６３は、ステップＳ１０において、着火開始信号の入力の有無を判定し、その判定に基づいてステップＳ１２の処理を実行してもよい。
ステップＳ１１およびステップＳ１２の処理は、図５に示す時間ｔ１（点火装置５０の作動時）および時間ｔ１から時間ｔ３の間に実行される処理である。
ステップＳ１１において、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、点火装置５０を作動させるための信号を出力部１４１に出力する。
出力部１４１は、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１からの信号を点火装置５０に出力する。これによって、図５に示すように点火装置５０は作動し、レーザ光を貫通孔３３、レーザ透過部材５１、貫通孔３７を介してトーチ燃焼器ライナ３５内に照射する。
また、ステップＳ１１において、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、トーチ燃料・トーチ酸化剤データ１５１を参照して、トーチ燃料導入通路２６に供給する燃料流量およびトーチ酸化剤供給通路１５に供給する酸化剤流量を特定する。そして、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、流量調整弁２８および流量調整弁２２を制御するための信号を出力部１４１に出力する。
出力部１４１は、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１からの信号を流量調整弁２８および流量調整弁２２に出力する。これによって、流量調整弁２８および流量調整弁２２の開度が調整される。
そして、所定流量の燃料は、トーチ燃料供給管２７、トーチ燃料導入通路２６を介してトーチ酸化剤供給通路１５内の出口側（例えば、スワーラ１６内）に供給され、酸化剤とともにトーチ燃焼器ライナ３５内に供給される。また、所定流量の酸化剤は、トーチ酸化剤供給管２１、貫通孔１１ａ、トーチ酸化剤供給通路１５を介してトーチ燃焼器ライナ３５内に供給される。図５に示すように、燃料流量および酸化剤流量は、時間ｔ３時に規定流量に達するように徐々に増加される。
燃料流量および酸化剤流量を増加する過程において、図５に示すように、トーチ燃焼器ライナ３５内において燃料と酸化剤の混合気が着火してトーチ火炎が形成される。ここでは、時間ｔ２に達する前に火炎が形成された一例を示している。なお、以下において、トーチ燃焼器ライナ３５内に形成される火炎をトーチ火炎と称する。
ここで、トーチ燃焼器ライナ３５内に供給される燃料および酸化剤の流量は、燃焼ガス配管４０の出口における燃焼ガスの温度が８００℃以上となるように設定される。そのため、トーチ燃焼器ライナ３５内に供給される燃料および酸化剤の流量は、冷却媒体通路４５から主燃焼器ライナ１２０内に流入する冷却媒体の温度や流量、火炎検知用通路８０から主燃焼器ライナ１２０内に流入する浄化媒体の温度や流量、燃焼ガス配管４０を流れる際の熱損失などを考慮して設定される。
ここで、燃焼ガス配管４０の出口における燃焼ガスの温度を８００℃以上に設定する理由について説明する。
なお、この燃焼ガスは、トーチ燃焼器ライナ３５内において燃料と酸化剤の燃焼によって生成した燃焼ガスと、貫通孔３６からトーチ燃焼器ライナ３５内に流入する冷却媒体と、火炎検知用通路８０からトーチ燃焼器ライナ３５内に流入する浄化媒体とから構成される。
燃焼ガス配管４０の出口における燃焼ガスは、主燃焼器ライナ１２０内の燃料と酸化剤の混合気を着火する着火源となる。着火源として機能する燃焼ガスの温度は、高温なほど好ましい。しかしながら、燃焼ガス配管４０の外周面は、冷却媒体によって冷却されているが、内周面は高温の燃焼ガスに曝されている。そこで、燃焼ガス配管４０の熱応力や耐酸化性などを考慮して、燃焼ガスの温度の上限は、燃焼ガス配管４０を構成する材料の耐熱温度以下に設定される。
一方、燃焼ガスを着火源として機能させるため、燃焼ガスの温度の下限は、主燃焼器ライナ１２０内の混合気を少なくとも着火できる温度に設定される。そこで、主燃料－主酸化剤供給部９０に供給される燃料における量論混合気での自己着火温度、冷却媒体通路４５から主燃焼器ライナ１２０内に噴出される冷却媒体によって燃焼ガスが希釈されることによる温度低下などを考慮して、燃焼ガスの温度の下限は、８００℃に設定されている。
すなわち、この下限値は、バーナ１の出口の下流側近傍において、燃焼ガス配管４０から噴出された燃焼ガスが冷却媒体通路４５から噴出された冷却媒体によって希釈されても、主燃焼器ライナ１２０内の混合気を着火できる温度である。
ステップＳ１２において、冷却媒体・浄化媒体供給判定部１６３は、冷却媒体・浄化媒体データ１５３を参照して、冷却媒体通路４５に供給する冷却媒体流量および火炎検知用通路８０に供給する浄化媒体流量を特定する。そして、冷却媒体・浄化媒体供給判定部１６３は、流量調整弁４８および流量調整弁８８を制御するための信号を出力部１４１に出力する。
出力部１４１は、冷却媒体・浄化媒体供給判定部１６３からの信号を流量調整弁４８および流量調整弁８８に出力する。これによって、流量調整弁４８および流量調整弁８８の開度が調整される。
そして、所定流量の冷却媒体は、冷却媒体供給管４７、冷却媒体導入通路４６を介して冷却媒体通路４５に供給される。また、所定流量の浄化媒体は、浄化媒体供給管８７、浄化媒体導入通路８６を介して火炎検知用通路８０に供給される。なお、図５に示すように、冷却媒体流量および浄化媒体流量は、時間ｔ３時に規定流量に達するように徐々に増加される。
図６に示すように、続いて、着火判定部１６４は、火炎検知部７５から火炎検知に係る検知信号が入力された否かを判定する（ステップＳ１３）。
ステップＳ１３の判定において、検知信号が入力されていないと判定した場合（ステップＳ１３のＮｏ）、着火判定部１６４は、ステップＳ１３の処理を再度実行する。
ステップＳ１３の判定において、検知信号が入力されたと判定した場合（ステップＳ１３のＹｅｓ）、着火判定部１６４は、その情報を経過時間判定部１６５に出力する。
そして、経過時間判定部１６５は、着火判定部１６４によって検知された検知信号が時間ｔ３の経過後に入力されたか否かを判定する（ステップＳ１４）。
ステップＳ１４の判定において、検知信号が時間ｔ３の経過後に入力されたと判定した場合（ステップＳ１４のＹｅｓ）、経過時間判定部１６５は、例えば、異常運転としてバーナ１の運転を停止する。
ステップＳ１４の判定において、検知信号が時間ｔ３の経過前に入力されたと判定した場合（ステップＳ１４のＮｏ）、経過時間判定部１６５は、タイマーからの出力信号に基づいて時間ｔ３に達したか否かを判定する（ステップＳ１５）。
ステップＳ１５の判定において、時間ｔ３に達していないと判定した場合（ステップＳ１５のＮｏ）、経過時間判定部１６５は、ステップＳ１５の処理を再度実行する。
ステップＳ１５の判定において、時間ｔ３に達していると判定した場合（ステップＳ１５のＹｅｓ）、経過時間判定部１６５は、その情報をトーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１、主燃料・主酸化剤供給判定部１６２、冷却媒体・浄化媒体供給判定部１６３に出力する。
なお、図５には、時間ｔ２時に火炎検知部７５よって火炎が検知された一例を示している。
トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、点火装置５０を停止するための処理、トーチ燃料およびトーチ酸化剤の流量を調整するための処理を実行する（ステップＳ１６、ステップＳ１７）。
主燃料・主酸化剤供給判定部１６２は、燃料および酸化剤を供給するための処理を実行する（ステップＳ１８）。
冷却媒体・浄化媒体供給判定部１６３は、冷却媒体および浄化媒体の流量を調整するための処理を実行する（ステップＳ１９）。
ステップＳ１６において、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、点火装置５０を停止させるための信号を出力部１４１に出力する。
出力部１４１は、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１からの信号を点火装置５０に出力する。これによって、図５に示すように点火装置５０は停止する。
ステップＳ１７において、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、トーチ燃料・トーチ酸化剤データ１５１および主火炎着火時間データ１５４を参照して、燃料および酸化剤の流量を規定流量に維持するための信号を出力部１４１に出力する。なお、主火炎着火時間データ１５４において、時間ｔ５を設定するための情報を参照することができる。
出力部１４１は、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１からの信号を流量調整弁２８および流量調整弁２２に出力する。これによって、流量調整弁２８および流量調整弁２２の開度が調整される。そして、図５に示すように、燃料および酸化剤の流量は、規定流量に維持される。
ステップＳ１８において、主燃料・主酸化剤供給判定部１６２は、主燃料・主酸化剤データ１５２および主火炎着火時間データ１５４を参照して、主燃料供給管９１（第１の主燃料供給管９１Ａおよび第２の主燃料供給管９１Ｂ）に供給する燃料流量および主酸化剤供給管９２（第１の主酸化剤供給管９２Ａおよび第２の主酸化剤供給管９２Ｂ）に供給する酸化剤流量を特定する。そして、主燃料・主酸化剤供給判定部１６２は、流量調整弁９３、９４、９５、９６を制御するための信号を出力部１４１に出力する。
出力部１４１は、主燃料・主酸化剤供給判定部１６２からの信号を流量調整弁９３、９４、９５、９６に出力する。これによって、流量調整弁９３、９４、９５、９６の開度が調整される。
そして、所定流量の燃料は、第１の主燃料供給管９１Ａ、第１の主燃料供給通路１０１を介して主燃焼器ライナ１２０内に供給される。また、所定流量の燃料は、第２の主燃料供給管９１Ｂ、第２の主燃料供給通路１０２を介して主燃焼器ライナ１２０内に供給される。
所定流量の酸化剤は、第１の主酸化剤供給管９２Ａ、第１の主酸化剤供給通路１１１を介して主燃焼器ライナ１２０内に供給される。また、所定流量の酸化剤は、第２の主酸化剤供給管９２Ｂ、第２の主酸化剤供給通路１１２を介して主燃焼器ライナ１２０内に供給される。なお、酸化剤がスワーラ１１５、１１６を通過することで、主燃焼器ライナ１２０内には、酸化剤の旋回流が噴出される。
図５に示すように、主燃料－主酸化剤供給部９０から供給される燃料流量および酸化剤流量は、時間ｔ５時に規定流量に達するように徐々に増加される。
燃料流量および酸化剤流量を増加する過程において、図５に示すように、主燃焼器ライナ１２０内において燃料と酸化剤の混合気が着火して火炎が形成される。ここで、燃料と酸化剤の混合気は、燃焼ガス配管４０から主燃焼器ライナ１２０内に噴出されるトーチ燃焼器ライナ３５内で生成された燃焼ガスによって着火される。なお、前述したように、温度が８００℃以上の燃焼ガスが、燃焼ガス配管４０の出口から主燃焼器ライナ１２０内に噴出される。
着火源である燃焼ガスは、バーナ１の中央から軸方向に噴出される。すなわち、バーナ１の出口において、着火源である燃焼ガスの外周には、主燃料供給通路１００から噴出された燃料が存在し、その燃料の周囲には、主酸化剤供給通路１１０から噴出された酸化剤が存在する。
このように、バーナ１の中央から軸方向に噴出される燃焼ガスを着火源として機能させ、その周囲から燃料、酸化剤を噴出することで、燃焼と酸化剤の混合気に確実に着火することができる。
また、着火源である燃焼ガスをバーナ１の上流端から導入する場合における主燃焼器ライナ１２０内の燃料および酸化剤の混合気に着火源が接する面積は、着火源としてレーザ光を使用した場合におけるそれよりも大きい。そのため、燃焼と酸化剤の混合気に確実に着火することができる。
また、着火条件が変更された場合でも、着火源である燃焼ガスをバーナ１の上流端から導入することで、燃焼と酸化剤の混合気に確実に着火することができる。
なお、ここでは、時間ｔ５に達する前の時間ｔ４に火炎が形成された一例を示している。また、以下において、主燃焼器ライナ１２０内に形成される火炎を主火炎と称する。
ステップＳ１９において、冷却媒体・浄化媒体供給判定部１６３は、冷却媒体・浄化媒体データ１５３を参照して、冷却媒体および浄化媒体の流量を規定流量に維持するための信号を出力部１４１に出力する。
出力部１４１は、冷却媒体・浄化媒体供給判定部１６３からの信号を流量調整弁４８および流量調整弁８８に出力する。これによって、流量調整弁４８および流量調整弁８８の開度が調整される。そして、図５に示すように、冷却媒体および浄化媒体の流量は、規定流量に維持される。
続いて、経過時間判定部１６５は、タイマーからの出力信号に基づいて時間ｔ５に達したか否かを判定する（ステップＳ２０）。
ステップＳ２０の判定において、時間ｔ５に達していないと判定した場合（ステップＳ２０のＮｏ）、経過時間判定部１６５は、ステップＳ２０の処理を再度実行する。
ステップＳ２０の判定において、時間ｔ５に達していると判定した場合（ステップＳ２０のＹｅｓ）、経過時間判定部１６５は、その情報をトーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１、主燃料・主酸化剤供給判定部１６２に出力する。
ここで、時間ｔ５は、時間ｔ３から上記した着火想定時間Ｔ経過後の時間として設定される。なお、この時間ｔ５に関する情報は、例えば、主火炎着火時間データ１５４に格納されている。
時間ｔ３では、トーチ燃焼器ライナ３５内に規定流量の燃料および酸化剤が供給される。そして、時間ｔ３から着火想定時間Ｔ経過後の時間ｔ５まで、トーチ燃焼器ライナ３５内において、燃焼ガス配管４０の出口における燃焼ガスの温度を８００℃以上とするための燃焼ガスが生成される。
時間ｔ３時に生成された燃焼ガスは、着火想定時間Ｔの間には、燃焼ガス配管４０から主燃焼器ライナ１２０内に噴出される。すなわち、主燃焼器ライナ１２０内に供給される燃料および酸化剤が規定流量になる前（時間ｔ５に達する前）に、着火源となる温度が８００℃以上の燃焼ガスが燃焼ガス配管４０から主燃焼器ライナ１２０内に噴出される。
そのため、図５に示すように、時間ｔ５に達する前の時間ｔ４において主燃焼器ライナ１２０内に火炎が形成されている。換言すると、着火想定時間Ｔを考慮して設定された時間ｔ５時までには、主燃焼器ライナ１２０内において着火が完了する。
そして、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、トーチ燃料供給部２５への燃料の供給停止、およびトーチ酸化剤供給部２０への酸化剤の供給停止のための処理を実行する（ステップＳ２１）。
主燃料・主酸化剤供給判定部１６２は、燃料および酸化剤の流量を調整するための処理を実行する（ステップＳ２２）。
ステップＳ２１において、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、トーチ燃料・トーチ酸化剤データ１５１を参照して、トーチ燃料導入通路２６への燃料の供給およびトーチ酸化剤供給通路１５への酸化剤の供給を停止するための情報を特定する。そして、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、流量調整弁２８および流量調整弁２２を制御するための信号を出力部１４１に出力する。すなわち、図５に示すように、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、時間ｔ５において、トーチ燃焼器ライナ３５への燃料および酸化剤の供給を停止するための信号を出力する。
出力部１４１は、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１からの信号を流量調整弁２８および流量調整弁２２に出力する。これによって、流量調整弁２８および流量調整弁２２の開度を閉じるように調整される。
そして、図５に示すように、トーチ燃料導入通路２６への燃料の供給およびトーチ酸化剤供給通路１５への酸化剤の供給が停止する。
ここでは、燃料および酸化剤の供給が時間ｔ５から所定時間後に停止する一例を示しているが、この制御に限られない。燃料および酸化剤の供給は、時間ｔ５時に停止させてもよい。
ステップＳ２２において、主燃料・主酸化剤供給判定部１６２は、主燃料・主酸化剤データ１５２を参照して、燃料および酸化剤の流量を規定流量に維持するための信号を出力部１４１に出力する。
出力部１４１は、主燃料・主酸化剤供給判定部１６２からの信号を流量調整弁９３、９４、９５、９６に出力する。これによって、流量調整弁９３、９４、９５、９６の開度が調整される。そして、図５に示すように、燃料および酸化剤の流量は、規定流量に維持される。
続いて、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、例えば、流量調整弁２８および流量調整弁２２の弁開度に係る情報や、トーチ燃料供給管２７に備えられた流量計（図示しない）およびトーチ酸化剤供給管２１に備えられた流量計（図示しない）からの出力信号などに基づいて、燃料および酸化剤の供給が停止されたか否かを判定する（ステップＳ２３）。
ステップＳ２３の判定において、燃料および酸化剤の供給が停止されていないと判定した場合（ステップＳ２３のＮｏ）、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、ステップＳ２３の処理を再度実行する。
ステップＳ２３の判定において、燃料および酸化剤の供給が停止されていると判定した場合（ステップＳ２３のＹｅｓ）、トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部１６１は、その情報を着火判定部１６４に出力する。
着火判定部１６４は、火炎検知部７５から火炎検知に係る検知信号が入力された否かを判定する（ステップＳ２４）。
ここで、ステップＳ２４の判定時において、トーチ火炎は消炎しているため、火炎検知部７５によって検知される火炎は、主火炎である。なお、火炎検知部７５では、トーチ火炎または主火炎を連続して検知しているため、図５に示すように、時間ｔ２以降、火炎検知部７５からの信号はＯｎ信号となる。
ステップＳ２４の判定において、検知信号が入力されていないと判定した場合（ステップＳ２４のＮｏ）、着火判定部１６４は、例えば、異常運転としてバーナ１の運転を停止する。
ステップＳ２４の判定において、検知信号が入力されたと判定した場合（ステップ２４のＹｅｓ）、着火判定部１６４は、その情報を経過時間判定部１６５に出力する。
経過時間判定部１６５は、タイマーからの出力信号に基づいて、時間ｔ５時、またはトーチ燃料供給管２７への燃料供給およびトーチ酸化剤供給管２１への酸化剤供給の停止時から所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ２５）。
ここで、所定時間とは、例えば、主火炎が形成された後タービン負荷運転を開始するまでの時間などが例示できる。
ステップＳ２５の判定において、所定時間が経過していないと判定した場合（ステップＳ２５のＮｏ）、経過時間判定部１６５は、ステップＳ２５の処理を再度実行する。
ステップＳ２５の判定において、所定時間が経過したと判定した場合（ステップＳ２５のＹｅｓ）、経過時間判定部１６５は、その情報を主燃料・主酸化剤データ１５２に出力する。
主燃料・主酸化剤データ１５２は、燃料および酸化剤の流量を調整するための処理を実行する（ステップＳ２６）。
ステップＳ２６において、主燃料・主酸化剤供給判定部１６２は、主燃料・主酸化剤データ１５２を参照して、例えば、タービン負荷に応じた燃料および酸化剤の流量を特定する。そして、主燃料・主酸化剤供給判定部１６２は、流量調整弁９３、９４、９５、９６を制御するための信号を出力部１４１に出力する。
出力部１４１は、主燃料・主酸化剤データ１５２からの信号を流量調整弁９３、９４、９５、９６に出力する。これによって、流量調整弁９３、９４、９５、９６の開度は調整される。
上記したように、実施の形態のバーナ１は、バーナ１の中央から軸方向に着火源である燃焼ガスを主燃焼室である主燃焼器ライナ１２０内に噴出することができる。
また、バーナ１は、着火源である燃焼ガスの外周に燃料を噴出し、その燃料の周囲に酸化剤を噴出することができる。これによって、例えば、主燃焼器ライナ１２０内への燃料や酸化剤の噴出パターン、着火に最適な燃料と酸化剤の混合気が形成される位置などの着火条件によらず、主燃焼器ライナ１２０内の燃焼と酸化剤の混合気に確実に着火することができる。
また、実施の形態のバーナ１を備える燃焼器は、燃焼器ライナの中心軸方向に対して垂直な方向からレーザ光を照射する点火装置を備える従来の燃焼器に比べて、着火条件が変更された場合においても、着火に対して軸方向における変更の影響はほとんど受けない。そのため、実施の形態のバーナ１を備える燃焼器は、着火条件の変更によって最適な点火位置が軸方向にずれた場合においても、確実な着火が可能となる。
ここで、従来のガスタービンの燃焼器において、火炎検知部は、点火装置と同様に、燃焼器ライナの中心軸方向に対して垂直な方向に向けて配置されている。そして、火炎検知部は、燃焼器ライナの中心軸方向に対して垂直な方向から火炎を検知している。そのため、燃焼器ライナの中心軸方向に対して垂直な方向から火炎を検知している火炎検知器では、火炎を検知できないことがある。
一方、実施の形態のバーナ１において、燃焼ガス配管４０、トーチ燃焼器ライナ３５、貫通部１４ｂ、貫通孔１７ａおよび火炎検知部７５は、中心軸Ｏを中心軸として同軸上に連通している。これによって、主燃焼器ライナ１２０内に形成される火炎を軸方向の上流側から検知することができる。そのため、実施の形態のバーナ１においては、例えば、火炎が軸方向に変動した場合においていても正確に火炎を検知することができる。
また、例えば、超臨界ＣＯ２ガスタービン設備における燃焼器のように肉厚の燃焼器ケーシングを備える場合においても、バーナ１を備えることで、燃焼器ケーシングに、点火装置や火炎検知部を備える必要がなくなる。そのため、燃焼器ケーシングに点火装置や火炎検知部を備えるための複雑な設計が回避できる。
ここで、上記した実施の形態のバーナ１は、例えば、一般に使用されている産業用や航空用のガスタービン燃焼器、超臨界ＣＯ２ガスタービン設備における燃焼器、水素を空気または酸素と燃焼させるガスタービン燃焼器などに適用することができる。
以上説明した実施形態によれば、着火条件によらず、供給した燃料および酸化剤における混合気に確実に着火することが可能となる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１…バーナ、１０…トーチ部、１０Ａ…第１のトーチ構成部、１０Ｂ…第２のトーチ構成部、１０Ｃ…第３のトーチ構成部、１１…第１のトーチ部ケーシング、１１ａ、１７ａ、３３、３６、３７…貫通孔、１２、１３、１４ａ、３１、３２、３５ａ、６１…フランジ部、１４…筒体、１４ｂ…貫通部、１５…トーチ酸化剤供給通路、１６、１１５、１１６…スワーラ、１７…封止板、２０…トーチ酸化剤供給部、２１…トーチ酸化剤供給管、２２、２８、４８、８８、９３、９４、９５、９６…流量調整弁、２５…トーチ燃料供給部、２６…トーチ燃料導入通路、２７…トーチ燃料供給管、３０…第２のトーチ部ケーシング、３５…トーチ燃焼器ライナ、４０…燃焼ガス配管、４５…冷却媒体通路、４６…冷却媒体導入通路、４７…冷却媒体供給管、５０…点火装置、５１…レーザ透過部材、６０…第３のトーチ部ケーシング、７０…火炎検知機構、７１…検知部ケーシング、７２…光透過部材、７５…火炎検知部、８０…火炎検知用通路、８５…浄化媒体供給部、８６…浄化媒体導入通路、８７…浄化媒体供給管、９０…主燃料－主酸化剤供給部、９１…主燃料供給管、９１Ａ…第１の主燃料供給管、９１Ｂ…第２の主燃料供給管、９２…主酸化剤供給管、９２Ａ…第１の主酸化剤供給管、９２Ｂ…第２の主酸化剤供給管、１００…主燃料供給通路、１０１…第１の主燃料供給通路、１０２…第２の主燃料供給通路、１０３、１０４、１１３、１１４…配管、１１０…主酸化剤供給通路、１１１…第１の主酸化剤供給通路、１１２…第２の主酸化剤供給通路、１２０…主燃焼器ライナ、１３０…制御装置、１４０…入力部、１４１…出力部、１５０…記憶部、１５１…トーチ燃料・トーチ酸化剤データ、１５２…主燃料・主酸化剤データ、１５３…冷却媒体・浄化媒体データ、１５４…主火炎着火時間データ、１６０…演算部、１６１…トーチ燃料・トーチ酸化剤供給判定部、１６２…主燃料・主酸化剤供給判定部、１６３…冷却媒体・浄化媒体供給判定部、１６４…着火判定部、１６５…経過時間判定部、Ｏ…中心軸、Ｔ…着火想定時間。

Claims (7)

  1. 軸方向に延びる管状のトーチ部と、
    前記トーチ部の一端側に設けられ、前記トーチ部の外周に環状に形成された主燃料－主酸化剤供給部と
    を備え、
    前記トーチ部は、
    トーチ部ケーシングと
    前記トーチ部ケーシング内に設けられた、燃料と酸化剤を燃焼させるトーチ燃焼器ライナと、
    前記トーチ燃焼器ライナ内に燃料を供給するトーチ燃料供給部と、
    前記トーチ燃焼器ライナ内に酸化剤を供給するトーチ酸化剤供給部と、
    前記トーチ燃焼器ライナ内の燃料と空気の混合気を着火させる点火装置と、
    前記トーチ燃焼器ライナから前記トーチ部の一端側に向かって延設されるとともに前記トーチ部の中央に配置され、前記トーチ燃焼器ライナで生成された燃焼ガスを前記トーチ部の一端側に導く燃焼ガス配管と、
    前記トーチ燃焼器ライナおよび前記燃焼ガス配管と、前記トーチ部ケーシングとの間に環状に形成され、前記トーチ部の一端側に向かって冷却媒体を導く冷却媒体通路と
    を備え、
    前記主燃料－主酸化剤供給部は、
    前記トーチ部の外周に環状に形成された主燃料供給通路と、
    前記主燃料供給通路の外周に環状に形成された主酸化剤供給通路と
    を備えることを特徴とするトーチ点火機構付きバーナ。
  2. 前記トーチ燃焼器ライナよりも前記トーチ部の他端側に設けられ、前記トーチ燃焼器ライナ内の火炎または前記主燃料－主酸化剤供給部から供給された燃料および酸化剤によって形成される火炎を検知する火炎検知機構をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のトーチ点火機構付きバーナ。
  3. 前記火炎検知機構は、
    前記トーチ部の他端側に設けられ、火炎を検知する火炎検知部と、
    前記火炎検知部と前記トーチ燃焼器ライナ内とを連通させる火炎検知用通路と
    を備え、
    前記燃焼ガス配管、前記トーチ燃焼器ライナ、前記火炎検知用通路および前記火炎検知部が同軸上に配置されていることを特徴とする請求項２記載のトーチ点火機構付きバーナ。
  4. 前記火炎検知機構は、
    前記火炎検知部と前記火炎検知用通路との間に設けられ、火炎からの光を前記火炎検知部側に透過する光透過部材と、
    前記光透過部材を浄化する浄化媒体を前記火炎検知用通路に供給する浄化媒体供給部と
    をさらに備えることを特徴とする請求項３記載のトーチ点火機構付きバーナ。
  5. 前記主燃料供給通路は、
    前記トーチ部の外周に環状に形成された第１の主燃料供給通路と、
    前記第１の主燃料供給通路の外周に環状に形成された第２の主燃料供給通路と
    を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のトーチ点火機構付きバーナ。
  6. 前記主酸化剤供給通路は、
    前記主燃料供給通路の外周に環状に形成された第１の主酸化剤供給通路と、
    前記第１の主酸化剤供給通路の外周に環状に形成された第２の主酸化剤供給通路と
    を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のトーチ点火機構付きバーナ。
  7. 燃料と酸化剤を燃焼させるトーチ燃焼器ライナ、前記トーチ燃焼器ライナ内に燃料を供給するトーチ燃料供給部、前記トーチ燃焼器ライナ内に酸化剤を供給するトーチ酸化剤供給部、前記トーチ燃焼器ライナ内の燃料と空気の混合気を着火させる点火装置、および前記トーチ燃焼器ライナで生成された燃焼ガスを一端側に導く燃焼ガス配管を備えたトーチ部と、
    トーチ部の一端側の外周に環状に形成された主燃料供給通路および前記主燃料供給通路の外周に環状に形成された主酸化剤供給通路を備える主燃料－主酸化剤供給部と、
    前記トーチ燃焼器ライナよりも前記トーチ部の他端側に設けられ、前記トーチ燃焼器ライナ内の火炎または前記主燃料－主酸化剤供給通路から供給された燃料および酸化剤によって形成される火炎を検知する火炎検知機構と、
    前記トーチ燃料供給部、前記トーチ酸化剤供給部および前記主燃料－主酸化剤供給部に供給する燃料流量および酸化剤流量および前記点火装置を制御する制御装置と
    を備えるトーチ点火機構付きバーナの運転方法であって、
    前記制御装置は、
    着火開始に係る信号に基づいて、前記点火装置を駆動させるとともに、前記トーチ燃料供給部および前記トーチ酸化剤供給部から前記トーチ燃焼器ライナ内に燃料および酸化剤を供給させ、
    前記火炎検知機構において前記トーチ燃焼器ライナ内の火炎が検知された運転時間から所定時間が経過した運転時間に、前記点火装置を停止させるとともに、前記主燃料－主酸化剤供給部から燃料および酸化剤を供給させ、
    前記トーチ燃焼器ライナで生成された燃焼ガスが前記主燃料－主酸化剤供給部から供給された燃料と酸化剤の混合気を着火するまでの着火想定時間に基づいて設定された所定の運転時間に、前記トーチ燃焼器ライナ内への燃料および酸化剤の供給を停止させ、
    前記トーチ燃焼器ライナ内への燃料および酸化剤の供給の停止後、前記火炎検知機構からの検知信号に基づいて、前記主燃料－主酸化剤供給部から供給された燃料と酸化剤による火炎の有無を判定することを特徴とするトーチ点火機構付きバーナの運転方法。
JP2021098774A 2021-06-14 2021-06-14 トーチ点火機構付きバーナおよびその運転方法 Pending JP2022190447A (ja)

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