JP2023001633A - ガスタービン燃焼器の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン起動運転初期時において安定した燃焼が可能なガスタービン燃焼器の運転方法を提供する。
【解決手段】
実施形態の燃焼器１０の運転方法において、燃焼器１０の着火前に酸素を含んだ混合ガスが循環ガスとして燃焼器１０に循環する。そして、燃焼器１０における着火時からタービンの定格負荷時に亘る運転時間の中で、着火時から、安定した燃焼が可能な安定燃焼条件に達するまでは、制御装置１００は、燃料供給部４０から供給される燃料の流量および酸化剤供給部５０から供給される酸化剤の流量を制御して、混合ガスにおける酸素濃度と同じ酸素濃度が維持された燃焼ガスを循環ガスとして循環させる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ガスタービン燃焼器の運転方法に関する。

近年、ガスタービン燃焼器を備える発電プラントにおいて、二酸化炭素の削減や省資源などの要求から、高効率化が進められている。そのような中、タービンから排出された二酸化炭素の一部を燃焼器に循環させるガスタービン設備が検討されている。

図８は、従来のガスタービン設備３００に設けられる燃焼器３１０の縦断面を模式的に示した図である。図８に示すように、燃焼器３１０は、燃焼器ケーシング３２０と、燃焼器ライナ３３０と、燃料－酸化剤供給部３４０と、二酸化炭素供給管３５０とを備える。

燃焼器ケーシング３２０内には、燃焼器ライナ３３０および燃料－酸化剤供給部３４０が備えられている。燃焼器ライナ３３０は、燃料と酸化剤を燃焼させる筒状部材で構成される。

燃料－酸化剤供給部３４０は、燃焼器ライナ３３０の一端（上流端）に備えられている。なお、燃焼器ライナ３３０の他端（下流端）には、燃焼器ライナ３３０から排出された燃焼ガスをタービンまで導くトランジションピース３６０が備えられている。

燃料－酸化剤供給部３４０は、燃料供給管３４１と、酸化剤供給管３４２とを備える。燃料供給管３４１は、燃焼器ライナ内に燃料を供給する。酸化剤供給管３４２は、燃料供給管３４１の外周に設けられ、燃焼器ライナ内に酸化剤を供給する。燃料供給管３４１および酸化剤供給管３４２によって、二重管構造を形成している。

二酸化炭素供給管３５０は、燃焼器ケーシング３２０に接続されている。二酸化炭素供給管３５０は、燃焼器３１０に循環される二酸化炭素を燃焼器ケーシング３２０と、燃料－酸化剤供給部３４０および燃焼器ライナ３３０との間に供給する。

ここで、燃焼器ライナ３３０に供給される燃料および酸化剤の流量は、量論混合比（当量比１）になるように調整されている。ここでいう当量比は、燃料流量および酸素流量に基づいて算出される。なお、当量比は、燃空比を理論燃空比で除して算出される。

ガスタービン設備３００では、タービンから排出された燃焼ガスから水蒸気を分離して燃焼器３１０に循環している。水蒸気が除去された燃焼ガスの成分は、ほぼ二酸化炭素である。そのため、二酸化炭素供給管３５０から燃焼器３１０に循環される燃焼ガスは、二酸化炭素である。

燃焼器３１０に循環される二酸化炭素は、冷却媒体および希釈媒体として機能する。循環される二酸化炭素は、例えば、再生熱交換器を介して、タービンから排出された燃焼ガスと熱交換をして加熱される。また、ガスタービン設備３００において、例えば、臨界圧力以上に昇圧された二酸化炭素が、燃焼器３１０に循環される。

燃焼器ケーシング３２０と燃焼器ライナ３３０との間を流れる二酸化炭素は、燃焼器ライナ３３０に形成された、例えば、冷却孔３３１や希釈孔３３２から燃焼器ライナ３３０内に導入される。

上記したガスタービン設備３００では、燃焼器３１０において燃焼を開始する前に、充填された二酸化炭素が燃焼器３１０に循環されている。そして、二酸化炭素が燃焼器３１０に循環された状態で、燃焼器３１０の運転を開始する。

特開２０００－３３７１０７号公報

燃焼器３１０における燃焼開始（着火）からタービン初負荷までのタービン起動運転時において、着火から所定時間までのタービン起動運転初期時では、上記した燃焼器ライナ３３０内の圧力は低い。燃焼器ライナ３３０内の圧力が低い状態においては、乱流燃焼速度は小さい。そのため、安定した燃焼は得られず、消炎することもある。

また、燃焼器ライナ３３０に供給される燃料および酸化剤の流量は、量論混合比に設定されているため、酸素の流量は、完全燃焼をさせるために必要な最小限の流量となる。さらに、不活性ガスである二酸化炭素は、冷却孔３３１や希釈孔３３２から火炎の周囲に導入される。そのため、火炎に二酸化炭素が流入し、火炎が不安定になる。

上記したように、タービン起動運転初期時は、燃焼器ライナ３３０内において、乱流燃焼速度が小さく、余剰の酸素がないとともに不活性ガスが混在する状態で燃焼する。そのため、安定した燃焼が得られず、消炎することがある。

本発明が解決しようとする課題は、タービン起動運転初期時において安定した燃焼が可能なガスタービン燃焼器の運転方法を提供するものである。

実施形態のガスタービン燃焼器の運転方法において、ケーシングと、前記ケーシング内に配置され、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器ライナと、前記燃焼器ライナに燃料を供給する燃料供給部と、前記燃焼器ライナに酸化剤を供給する酸化剤供給部と、前記燃料供給部から供給される燃料の流量および前記酸化剤供給部から供給される酸化剤の流量を制御する制御装置とを備え、タービンの出口と前記ケーシングとを連結する循環系統を介して前記タービンから排出された排ガスが循環ガスとして前記ケーシング内に循環され、前記燃焼器ライナに設けられた貫通孔を介して前記循環ガスが前記燃焼器ライナ内に流入する。

このガスタービン燃焼器の運転方法では、前記ガスタービン燃焼器における着火前において、二酸化炭素に酸素を所定濃度含んだ混合ガスが前記循環ガスとして循環している。そして、前記ガスタービン燃焼器における着火時から前記タービンの定格負荷時に亘る運転時間の中で、着火時から、安定した燃焼が可能な安定燃焼条件に達するまでは、前記制御装置は、前記燃料供給部から供給される燃料の流量および前記酸化剤供給部から供給される酸化剤の流量を制御して、前記混合ガスにおける酸素濃度と同じ酸素濃度が維持された燃焼ガスを前記循環ガスとして循環させる。

実施の形態の燃焼器の運転方法が実行されるガスタービン設備の系統図である。 実施の形態の燃焼器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。 実施の形態の燃焼器の運転方法が実行される燃焼器の縦断面を模式的に示した図である。 実施の形態の燃焼器の運転方法を説明するためのタイムチャートである。 実施の形態の燃焼器の運転方法を説明するためのフローチャートである。 実施の形態に係る燃焼器のタービン起動運転初期時における保炎範囲を示した図である。 実施の形態に係る燃焼器における安定燃焼領域を説明するための図である。 従来のガスタービン設備に設けられる燃焼器の縦断面を模式的に示した図である。

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、実施の形態の燃焼器の運転方法が実行されるガスタービン設備１の系統図である。図１に示すように、ガスタービン設備１は、燃焼器１０と、燃料供給部４０と、酸化剤供給部５０と、ガス循環系統６０と、タービン７０と、発電機７５と、再生熱交換器８０と、制御装置１００とを備える。なお、燃焼器１０は、ガスタービン燃焼器として機能する。

燃料供給部４０は、燃焼器１０に燃料を供給する。燃料供給部４０は、配管４１を備える。この配管４１は、燃料供給源（図示しない）と燃焼器１０との間に設けられる。また、配管４１は、燃料の流量を調整する流量調整弁４２を備える。

ここで、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。

酸化剤供給部５０は、燃焼器１０に酸化剤を供給する。酸化剤供給部５０は、配管５１を備える。この配管５１は、例えば、大気から酸素を分離する空気分離装置（図示しない）と燃焼器１０との間に設けられる。配管５１は、酸化剤の流量を調整する流量調整弁５２を備える。

ここで、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などが挙げられる。混合ガスに含まれる二酸化炭素として、例えば、ガス循環系統６０を流れる二酸化炭素の一部を使用する。

なお、図示していないが、配管５１には、酸化剤を昇圧する圧縮機が備えられる。例えば、運転条件によって臨界圧力以上に昇圧された循環ガスがガス循環系統６０を流れる場合においても、この圧縮機は、酸化剤を燃焼器１０に供給することができる圧力に昇圧できる。

また、再生熱交換器８０に配管５１を通し、酸化剤を加熱して燃焼器１０に供給してもよい。この場合、流量調整弁５２は、再生熱交換器８０よりも上流側に設けられる。

ガス循環系統６０は、タービン７０から排出された循環ガスを燃焼器１０に循環させる配管６１を備える。この配管６１は、タービン７０の出口と燃焼器１０との間に設けられる。

ここで、燃焼器１０において燃料と酸化剤が燃焼している時には、燃焼ガスが循環ガスとして循環する。なお、この燃焼ガスは、燃料と酸化剤の燃焼によって生成された燃焼ガスと後述する燃焼器ライナ２０内に導入される循環ガスとの混合ガスである。

また、タービンが起動する前（燃焼器１０において燃料と酸化剤が燃焼する前）は、ガス循環系統６０に予め充填された、二酸化炭素に酸素を所定濃度含んだ混合ガスが循環ガスとして循環する。

配管６１は、燃焼ガス中に含まれる水蒸気を除去する凝縮器６２を備える。なお、燃焼ガス中の水蒸気は、凝縮器６２を通過することで、凝縮して水となる。水は、例えば、配管（図示しない）を通り外部に排出される。

また、配管６１は、循環ガスを昇圧する圧縮機６３を備える。圧縮機６３は、例えば、凝縮器６２において水蒸気が除去された燃焼ガスを昇圧する。この圧縮機６３は、運転条件によって、水蒸気が除去された燃焼ガスを、例えば、臨界圧力以上に昇圧できる。凝縮器６２および圧縮機６３は、再生熱交換器８０で冷却された循環ガスが流れる領域の配管６１に備えられる。

配管６１は、再生熱交換器８０を２回通るように備えられている。すなわち、配管６１は、タービン７０と凝縮器６２との間で一度再生熱交換器８０を通る。そして、配管６１は、圧縮機６３と燃焼器１０との間で再度再生熱交換器８０を通る。

ここで、タービン７０から排出された燃焼ガス（循環ガス）は、再生熱交換器８０を通過することによって冷却される。この際、燃焼ガスからの放熱によって、配管６１を通り燃焼器１０に循環する循環ガスを加熱する。

なお、図示しないが、圧縮機６３と再生熱交換器８０との間の配管６１には、配管６１から分岐する配管が備えられる。そして、その分岐配管を介して循環ガスの一部が外部に排出される。

タービン７０は、燃焼器１０から排出された燃焼ガスによって回動される。このタービン７０には、例えば、タービン７０の回動を利用して発電する発電機７５が連結されている。

制御装置１００は、流量調整弁４２や流量調整弁５２などを制御して、燃焼器１０に供給される燃料流量、酸化剤流量などを調整する。

ここで、図２は、実施の形態の燃焼器１０の運転方法を実行する制御装置１００の構成を示すブロック図である。制御装置１００は、入力部１１０と、記憶部１２０と、演算部１３０と、出力部１４０とを備える。

入力部１１０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、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１２０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１２０は、例えば、燃焼器１０における燃焼開始（着火）からタービン初負荷までのタービン起動運転時における運転時間と、燃料流量および酸化剤流量の関係を示すタービン起動運転時データ１２１などを格納している。すなわち、タービン起動運転時データ１２１には、例えば、着火時からタービン初負荷時までの間の所定時間ごとに燃焼器１０に供給する燃料流量および酸化剤流量のデータが格納されている。

また、記憶部１２０は、例えば、タービン初負荷から定格負荷までのタービン負荷運転時におけるタービン負荷に応じた燃料流量および酸化剤流量の関係を示すタービン負荷運転時データ１２２などを格納している。

なお、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。

ここで、タービン起動運転時とは、燃焼器１０における燃焼開始時（着火時）からタービン初負荷時までの運転期間をいう。また、タービン起動運転時の中でも、着火から安定燃焼領域に入る所定時間までをタービン起動運転初期時という。なお、安定燃焼領域は、燃焼条件が安定した燃焼が可能な安定燃焼条件を満たす範囲であり、安定燃焼領域については後述する。

タービン起動運転時データ１２１は、実機におけるタービン起動運転試験において得られたデータである。また、タービン負荷運転時データ１２２は、実機におけるタービン負荷運転試験において得られたデータである。

演算部１３０は、例えば、入力部１１０からの入力信号、記憶部１２０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１３０は、経過時間判定部１３１、燃料－酸化剤流量判定部１３２などを備える。

経過時間判定部１３１は、入力部１１０からのタイマー信号に基づいて、着火時からの経過時間などを判定する。

燃料－酸化剤流量判定部１３２は、経過時間判定部１３１における判定結果およびタービン起動運転時データ１２１に基づいて、タービン起動運転時において燃焼器１０に供給する燃料流量および酸化剤流量を特定する。

また、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、タービン負荷時における負荷要求信号およびタービン負荷運転時データ１２２に基づいて、タービン負荷運転時において燃焼器１０に供給する燃料流量および酸化剤流量を演算する。

出力部１４０は、演算部１３０からの制御信号を、例えば、流量調整弁４２、５２などに出力する。なお、出力部１４０は、流量調整弁４２、５２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１００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、燃焼器１０の構成について説明する。

図３は、実施の形態の燃焼器の運転方法が実行される燃焼器１０の縦断面を模式的に示した図である。図３に示すように、燃焼器１０は、燃焼器ケーシング１５と、燃焼器ライナ２０と、燃料－酸化剤供給部３０とを備える。

燃焼器ケーシング１５は、燃焼器ライナ２０および燃料－酸化剤供給部３０を収容する筒体で構成されている。

燃焼器ライナ２０は、燃料と酸化剤を燃焼させる筒状部材で構成される。燃焼器ライナ２０の一端（上流端）は、上流端壁２１で封鎖され、他端（下流端）は、開口されている。なお、燃焼器ライナ２０の他端（下流端）には、燃焼器ライナ２０から排出された燃焼ガスをタービン７０まで導くトランジションピース９０が備えられている。

燃焼器ライナ２０は、例えば、直線状に伸びる筒体などで構成される。なお、燃焼器ライナ２０は、例えば、一部が湾曲した筒体などで構成されてもよい。

燃焼器ライナ２０の側部には、配管６１から燃焼器ケーシング１５内に導入された循環ガスを燃焼器ライナ２０内に導入する冷却孔２２や希釈孔２３が形成されている。なお、冷却孔２２および希釈孔２３は、貫通孔として機能する。

冷却孔２２は、例えば、フィルム冷却用の冷却孔などで構成される。また、希釈孔２３は、例えば、燃焼器ライナ２０の中心軸方向に対して垂直な方向に形成された貫通孔などで構成される。

燃料－酸化剤供給部３０は、燃焼器ケーシング１５を貫通し、燃料－酸化剤供給部３０の下流端が燃焼器ライナ２０の一端（上流端）に配置される。具体的には、例えば、燃料－酸化剤供給部３０の下流端は、燃焼器ライナ２０の内部に突出しないように、上流端壁２１に形成された貫通口２１ａに嵌合される。

燃料－酸化剤供給部３０は、燃料供給管３１と、酸化剤供給管３２とを備える。

燃料供給管３１は、燃焼器ライナ２０内に燃料を供給する。燃料供給管３１は、例えば、円管などで構成される。燃料供給管３１は、燃料を供給する配管４１に連結されている。燃料供給管３１の出口３１ａは、例えば、燃料ノズルとしての機能を備える。出口３１ａは、例えば、単孔の燃料噴射孔または多孔の燃料噴出孔などで構成される。燃料は、燃料供給管３１の出口３１ａから燃焼器ライナ２０内に噴出される。

酸化剤供給管３２は、燃焼器ライナ２０内に酸化剤を供給する。酸化剤供給管３２の下流端の外周は、上流端壁２１の貫通口２１ａに嵌合している。酸化剤供給管３２は、例えば、燃料供給管３１の外径よりも大きな内径の円管などで構成される。

酸化剤供給管３２は、例えば、図２に示すように、燃料供給管３１の外周に備えられる。例えば、酸化剤供給管３２の中心軸は、燃料供給管３１の中心軸と同一軸上にある。これによって、燃料供給管３１の外周に環状の通路が形成される。

このように、例えば、燃料供給管３１と酸化剤供給管３２は、二重管構造で構成される。燃料は、中央の燃料噴出孔から噴出され、酸化剤は、中央の燃料噴出孔の周囲に形成される環状の流路から噴出される。すなわち、燃焼器１０では、拡散燃焼方式を採用している。

燃料供給管３１と酸化剤供給管３２との間の環状通路の出口３２ａには、例えば、酸化剤の旋回流を形成するスワーラ３３が設けられる。スワーラ３３は、環状の通路に周方向に複数の羽根を備える。羽根は、環状の通路の軸方向に対して所定角度に傾斜させて配置されている。

このスワーラ３３を酸化剤が通過することで、周方向速度成分を有する旋回流が燃焼器ライナ２０内に噴出される。このように、酸化剤を旋回流とすることで、燃焼器ライナ２０内において、燃料と酸化剤の混合が促進され、安定した火炎が形成される。

循環ガスを循環させる配管６１は、燃焼器ケーシング１５に接続されている。配管６１は、例えば、燃料－酸化剤供給部３０が貫通している側の燃焼器ケーシング１５の側部に接続される。

配管６１は、燃焼器ケーシング１５と、燃料－酸化剤供給部３０および燃焼器ライナ２０との間に循環ガスを供給する。循環ガスは、前述した燃焼器ライナ２０の冷却孔２２や希釈孔２３から冷却媒体または希釈媒体として燃焼器ライナ２０内に導入される。

燃焼器ライナ２０内に導入された循環ガスは、燃焼器ライナ２０内に形成される火炎の周囲または下流に導入される。火炎は、導入された循環ガスを巻き込みながら燃焼する。換言すると、火炎を形成する燃焼領域において循環ガスが混合しながら燃焼反応が進行する。

次に、燃焼器１０の運転方法について説明する。

図４は、実施の形態の燃焼器１０の運転方法を説明するためのタイムチャートである。図５は、実施の形態の燃焼器１０の運転方法を説明するためのフローチャートである。

ここで、図４の横軸には、時間が示されている。図４の縦軸には、燃焼器１０内の圧力比、燃料流量比、酸化剤流量比、当量比、循環ガスの酸素濃度（ｗｔ％）が示されている。なお、図４において燃焼器１０内の圧力比を示した部分には、後述する安定燃焼領域の範囲を斜線で示している。

ここで、燃焼器１０内の圧力比は、燃焼器ライナ２０内の圧力比である。燃焼器１０内の圧力比は、タービンの定格負荷時における燃焼器ライナ２０内の圧力を１としたときの、各時間における燃焼器ライナ２０内の圧力を比で示している。燃料流量比は、タービンの定格負荷時における燃料流量を１としたときの、各時間における燃料流量を比で示している。酸化剤流量比は、タービンの定格負荷時における酸化剤流量を１としたときの、各時間における酸化剤流量を比で示している。

また、酸素濃度は、燃焼器１０に導入される循環ガスの酸素濃度である。すなわち、配管６１から燃焼器ケーシング１５内に導入される循環ガスの酸素濃度である。

当量比として、燃料－酸化剤供給部３０における局所当量比φｌ、および燃焼器１０（燃焼器ライナ２０）におけるトータル当量比φｔが示されている。

局所当量比φｌは、燃料－酸化剤供給部３０に供給される燃料流量および酸素流量に基づいて算出された当量比である。換言すれば、局所当量比φｌは、燃料供給管３１から燃焼器ライナ２０内に噴出される燃料の流量、および酸化剤供給管３２から燃焼器ライナ２０内に噴出される酸素の流量に基づいて算出された当量比である。

トータル当量比φｔは、燃焼器１０に供給される燃料流量および酸素流量に基づいて算出された当量比である。すなわち、トータル当量比φｔは、燃焼器ライナ２０内に供給される循環ガスに含まれる酸素流量も考慮して算出されている。換言すれば、トータル当量比φｔは、燃料供給管３１から燃焼器ライナ２０内に噴出される燃料の流量、および酸化剤供給管３２から燃焼器ライナ２０内に噴出される酸素および燃焼器ライナ２０内に導入される循環ガスに含まれる酸素の流量に基づいて算出された当量比である。

なお、上記した局所当量比φｌおよびトータル当量比φｔは、燃空比を理論燃空比で除して算出される。

図４において、タービン起動運転時は、時間ｔ１～時間ｔ４の間（時間ｔ１以上時間ｔ４未満）である。タービン起動運転時の中でも、タービン起動運転初期時は、時間ｔ１～時間ｔ３の間（時間ｔ１以上時間ｔ３未満）である。タービン負荷運転時は、時間ｔ４～時間ｔ５の間（時間ｔ４以上時間ｔ５未満）である。

ガスタービン設備１では、タービンの起動前、すなわち、燃焼器１０において燃焼を開始する前（時間ｔ１未満）においては、予めガス循環系統６０に充填された混合ガスが循環ガスとして燃焼器１０に循環されている。すなわち、混合ガスは、配管６１、燃焼器１０、タービン７０を循環している。循環する際、混合ガスは、圧縮機６３によって加圧される。

ここで、混合ガスは、酸素を所定濃度含んだ二酸化炭素である。この混合ガスの酸素濃度は、１０～１５ｗｔ％の範囲で設定される。図４には、混合ガスの酸素濃度を１５ｗｔ％としたときの一例を示している。なお、混合ガスの酸素濃度をこの範囲に設定する理由は後述する。

（着火時：時間ｔ１）
混合ガスが燃焼器１０に循環された状態で、燃焼器１０に酸化剤および燃料を供給して、点火装置で着火する。ここで、着火時（時間ｔ１）は、第１の時間として機能する。

図５に示すように、制御装置１００の燃料－酸化剤流量判定部１３２は、入力部１１０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）、燃料－酸化剤流量判定部１３２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）、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、着火のための制御を実行する（ステップＳ１１）。

ステップＳ１１において、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、タービン起動運転時データ１２１を参照して、着火時に燃焼器１０に供給する燃料流量および酸化剤流量を特定する。そして、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、燃焼器１０の燃料－酸化剤供給部３０に酸化剤および燃料を供給するための信号を出力部１４０に出力する。

出力部１４０は、燃料－酸化剤流量判定部１３２からの信号を流量調整弁５２および流量調整弁４２に出力する。これによって、流量調整弁５２および流量調整弁４２の開度が調整され、所定流量の燃料および酸化剤が燃料－酸化剤供給部３０を介して燃焼器ライナ２０内に供給される。

この際、局所当量比は、第１の当量比となるように設定される。ここで、第１の当量比は、０．８～０．９の範囲で設定される。図４には、第１の当量比を０．８４としたときの一例を示している。なお、第１の当量比をこの範囲に設定する理由は後述する。

これによって、燃料供給管３１から燃料、および酸化剤供給管３２から酸化剤が燃焼器ライナ２０内に噴出され、火炎が形成される。

（時間ｔ１～時間ｔ２）
図５に示すように、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、入力部１１０において火炎検知器からの検知信号が入力された否かを判定する（ステップＳ１２）。

ステップＳ１２の判定において、所定時間の間に検知信号が入力されていないと判定した場合（ステップＳ１２のＮｏ）、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、例えば、燃焼器１０への燃料および酸化剤の供給を停止する。そして、例えば、燃焼器１０の運転を停止する。

ステップＳ１２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Ｓ１２のＹｅｓ）、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、局所当量比φｌを減少させる制御を実行する（ステップＳ１３）。

ステップＳ１３において、図４に示すように、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、例えば、入力部１１０で入力された火炎検知器からの検知信号を検知後、すなわち着火後（時間ｔ１後）からそれよりも後の第２の時間（時間ｔ２）の間（時間ｔ１後時間ｔ２未満の間）において局所当量比φｌを減少させる制御を実行する。なお、時間ｔ２は、第２の時間として機能する。

ここでは、燃焼器１０において、燃料流量および酸化剤流量を増加させつつ、局所当量比φｌを第１の当量比からそれよりも小さい第２の当量比まで徐々に減少させる。

この際、燃焼器１０に循環される循環ガスにおける酸素濃度は、着火前に燃焼器１０に循環されている混合ガスにおける酸素濃度と同じ濃度（図４では１５ｗｔ％）に維持されている。換言すると、トータル当量比φｔを一定に維持しつつ、局所当量比φｌを減少させている。

ここで、第２の当量比は、０．３５～０．４５の範囲で設定される。図４には、第２の当量比を０．４０としたときの一例を示している。なお、第２の当量比をこの範囲に設定する理由は後述する。

具体的には、経過時間判定部１３１は、タイマーからの出力信号に基づいて時間ｔ１からの経過時間を判定し、その判定情報を燃料－酸化剤流量判定部１３２に出力する。燃料－酸化剤流量判定部１３２は、経過時間判定部１３１からの判定情報およびタービン起動運転時データ１２１に基づいて、時間ｔ１からの経過時間に応じた燃焼器１０に供給する燃料流量および酸化剤流量を特定する。

そして、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、所定経過時間ごとに、燃焼器１０の燃料－酸化剤供給部３０に所定流量の酸化剤および燃料を供給するための信号を出力部１４０に出力する。

出力部１４０は、燃料－酸化剤流量判定部１３２からの信号を流量調整弁５２および流量調整弁４２に出力する。これによって、流量調整弁５２および流量調整弁４２の開度が調整され、所定流量の燃料および酸化剤が燃料－酸化剤供給部３０を介して燃焼器ライナ２０内に供給される。

（時間ｔ２～時間ｔ３）
図５に示すように、経過時間判定部１３１は、タイマーからの出力信号に基づいて時間ｔ２に達し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、時間ｔ２に達していないと判定した場合（ステップＳ１４のＮｏ）、経過時間判定部１３１は、その判定結果を燃料－酸化剤流量判定部１３２に出力する。そして、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、ステップＳ１３の処理を継続する。

ステップＳ１４の判定において、時間ｔ２に達したと判定した場合（ステップＳ１４のＹｅｓ）、経過時間判定部１３１は、その判定結果を燃料－酸化剤流量判定部１３２に出力する。そして、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、局所当量比φｌを一定に維持するための制御を実行する（ステップＳ１５）。

ステップＳ１５において、図４に示すように、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、時間ｔ２からそれよりも後の第３の時間（時間ｔ３）の間（時間ｔ２以上時間ｔ３未満の間）において局所当量比φｌを一定に維持する制御を実行する。なお、時間ｔ３は、第３の時間として機能する。

ここでは、燃焼器１０において、燃料流量および酸化剤流量を増加させつつ、局所当量比φｌを第２の当量比に維持する。

この際、燃焼器１０に循環される循環ガスにおける酸素濃度は、着火前に燃焼器１０に循環されている混合ガスにおける酸素濃度と同じ濃度（図４では１５ｗｔ％）に維持されている。換言すると、トータル当量比φｔを一定に維持しつつ、局所当量比φｌを第２の当量比に維持している。なお、時間ｔ３時には、燃焼条件は安定燃焼条件を満たし、燃焼状態は後述する安定燃焼領域に達している。

また、経過時間判定部１３１は、タイマーからの出力信号に基づいて、例えば、時間ｔ２からの経過時間（または時間ｔ１からの経過時間）を判定する。経過時間判定部１３１は、経過時間の判定情報を燃料－酸化剤流量判定部１３２に出力する。

燃料－酸化剤流量判定部１３２は、経過時間判定部１３１からの判定情報およびタービン起動運転時データ１２１に基づいて、時間ｔ２からの経過時間に応じた燃焼器１０に供給する燃料流量および酸化剤流量を特定する。

そして、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、所定経過時間ごとに、燃焼器１０の燃料－酸化剤供給部３０に所定流量の酸化剤および燃料を供給するための信号を出力部１４０に出力する。

出力部１４０は、燃料－酸化剤流量判定部１３２からの信号を流量調整弁５２および流量調整弁４２に出力する。これによって、流量調整弁５２および流量調整弁４２の開度が調整され、所定流量の燃料および酸化剤が燃料－酸化剤供給部３０を介して燃焼器ライナ２０内に供給される。

（時間ｔ３～時間ｔ４）
図５に示すように、経過時間判定部１３１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Ｓ１６）。

ステップＳ１６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Ｓ１６のＮｏ）、経過時間判定部１３１は、その判定結果を燃料－酸化剤流量判定部１３２に出力する。そして、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、ステップＳ１５の処理を継続する。

ステップＳ１６の判定において、時間ｔ３に達したと判定した場合（ステップＳ１６のＹｅｓ）、経過時間判定部１３１は、その判定結果を燃料－酸化剤流量判定部１３２に出力する。そして、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、局所当量比φｌを増加するための制御を実行する（ステップＳ１７）。

ステップＳ１７において、図４に示すように、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、時間ｔ３からそれよりも後の第４の時間（時間ｔ４）の間（時間ｔ３以上時間ｔ４未満の間）において局所当量比φｌを増加させる制御を実行する。

ここでは、燃焼器１０において、酸化剤の流量を一定に維持しつつ燃料の流量を増加させて局所当量比φｌを第２の当量比からそれよりも大きい第３の当量比まで増加させる一例を示している。なお、酸化剤の流量を増加させつつ燃料の流量も増加させて、局所当量比φｌを第２の当量比からそれよりも大きい第３の当量比まで増加させてもよい。

この際、燃焼器１０に循環される循環ガスにおける酸素濃度は、着火前に燃焼器１０に循環されている混合ガスにおける酸素濃度と同じ酸素濃度（図４では１５ｗｔ％）から低下する。

ここで、第３の当量比は、１．０に設定される。ガスタービン設備１においては、タービンの定格負荷時において燃焼器１０から排出される燃焼ガスに、余剰の酸素や燃料が残存しないことが好ましい。そのため、時間ｔ３～時間ｔ４において、局所当量比φｌを１．０まで増加して循環ガスにおける酸素濃度を減少させている。

また、経過時間判定部１３１は、タイマーからの出力信号に基づいて、例えば、時間ｔ３からの経過時間（または時間ｔ１からの経過時間）を判定する。経過時間判定部１３１は、経過時間の判定情報を燃料－酸化剤流量判定部１３２に出力する。

燃料－酸化剤流量判定部１３２は、経過時間判定部１３１からの判定情報およびタービン起動運転時データ１２１に基づいて、時間ｔ３からの経過時間に応じた燃焼器１０に供給する燃料流量および酸化剤流量を特定する。

そして、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、所定経過時間ごとに、燃焼器１０の燃料－酸化剤供給部３０に所定流量の酸化剤および燃料を供給するための信号を出力部１４０に出力する。

出力部１４０は、燃料－酸化剤流量判定部１３２からの信号を流量調整弁５２および流量調整弁４２に出力する。これによって、流量調整弁５２および流量調整弁４２の開度が調整され、所定流量の燃料および酸化剤が燃料－酸化剤供給部３０を介して燃焼器ライナ２０内に供給される。

（時間ｔ４～時間ｔ５）
図５に示すように、経過時間判定部１３１は、タイマーからの出力信号に基づいて時間ｔ４に達したか否かを判定する（ステップＳ１８）。

ステップＳ１８の判定において、時間ｔ４に達していないと判定した場合（ステップＳ１８のＮｏ）、経過時間判定部１３１は、その判定結果を燃料－酸化剤流量判定部１３２に出力する。そして、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、ステップＳ１７の処理を継続する。

ステップＳ１８の判定において、時間ｔ４に達したと判定した場合（ステップＳ１８のＹｅｓ）、経過時間判定部１３１は、その判定結果を燃料－酸化剤流量判定部１３２に出力する。そして、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、局所当量比φｌを一定に維持するための制御を実行する（ステップＳ１９）。

ステップＳ１９において、図４に示すように、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、時間ｔ４からそれよりも後の第５の時間（時間ｔ５）の間（時間ｔ４以上時間ｔ５未満の間）において局所当量比φｌを一定に維持する制御を実行する。

ここでは、燃焼器１０において、燃料流量および酸化剤流量を増加させつつ、局所当量比φｌを第３の当量比に維持する。

この際、燃焼器１０に循環される循環ガスにおける酸素濃度は、時間ｔ４時における循環ガスにおける酸素濃度から低下する。そして、時間ｔ５時における循環ガスにおける酸素濃度は、「０」ｗｔ％となる。すなわち、時間ｔ５時において、循環ガスは、酸素を含んでいない。また、時間ｔ５時において、トータル当量比φｔは、局所当量比φｌと同じ第３の当量比（１．０）となる。

なお、時間ｔ４時からタービン負荷を取り始める。時間ｔ５時は、タービンの定格負荷時である。

時間ｔ４以降（時間ｔ４以上）は、負荷調整運転に基づく制御が実行される。燃料－酸化剤流量判定部１３２は、負荷調整運転において燃料流量および酸化剤流量を増加させつつ、局所当量比φｌを第３の当量比に維持するため、負荷要求信号およびタービン負荷運転時データに基づいて、燃焼器１０に供給する燃料流量および酸化剤流量を特定する。

そして、燃料－酸化剤流量判定部１３２は、燃焼器１０の燃料－酸化剤供給部３０に所定流量の酸化剤および燃料を供給するための信号を出力部１４０に出力する。

出力部１４０は、燃料－酸化剤流量判定部１３２からの信号を流量調整弁５２および流量調整弁４２に出力する。これによって、流量調整弁５２および流量調整弁４２の開度が調整され、所定流量の燃料および酸化剤が燃料－酸化剤供給部３０を介して燃焼器ライナ２０内に供給される。

（混合ガスの酸素濃度、第１の当量比および第２の当量比の範囲の根拠）
ここで、混合ガスの酸素濃度、第１の当量比、第２の当量比を前述した範囲とする理由について説明する。

図６は、実施の形態に係る燃焼器１０のタービン起動運転初期時における保炎範囲を説明するための図である。図７は、実施の形態に係る燃焼器１０における安定燃焼領域を説明するための図である。

ここで、図６において、横軸は、循環ガスにおける酸素濃度（ｗｔ％）を示し、縦軸は局所当量比φｌを示している。図６には、タービン起動運転初期時である時間ｔ１～時間ｔ３のときの保炎範囲を実線で示し、安定燃焼領域における保炎範囲を破線で示している。

また、図６には、タービン起動運転初期時である時間ｔ１～時間ｔ３のときの循環ガスにおける酸素濃度と局所当量比φｌの関係を示している。図６の時間ｔ１において、混合ガスの酸素濃度は１５ｗｔ％であり、局所当量比φｌは０．９である。図６の時間ｔ２および時間ｔ３において、混合ガスの酸素濃度は１５ｗｔ％であり、局所当量比φｌは０．３５である。

ここで、保炎範囲とは、燃焼器１０において火炎を維持できる範囲である。保炎範囲は、２本の実線の間、２本の破線の間である。

図７において、横軸は、着火時（時間ｔ１）からタービンの定格負荷時（時間ｔ５）までの時間を示し、縦軸は、乱流燃焼速度比を示している。図７には、着火時（時間ｔ１）からタービンの定格負荷時（時間ｔ５）おける乱流燃焼速度比が実線で示されている。また、図７には、安定燃焼領域を斜線で示している。

ここで、乱流燃焼速度比は、着火時（時間ｔ１）における燃焼器ライナ２０内の乱流燃焼速度を１としたときの、各時間における燃焼器ライナ２０内の乱流燃焼速度を比で示している。なお、乱流燃焼速度は、数値解析によって得られたものである。

また、図６に示された保炎範囲および図７に示された安定燃焼領域は、実機における試験結果に基づいて得られたものである。

図６に示すように、タービン起動運転初期時における保炎範囲は、安定燃焼領域における保炎範囲よりも狭い。また、タービン起動運転初期時における局所当量比φｌに対する保炎範囲は、循環ガスにおける酸素濃度が増加するするとともに広くなる。

循環ガスにおける酸素濃度が１０～１５ｗｔ％の範囲では、循環ガスにおける酸素濃度を一定に維持した状態で、局所当量比φｌを時間ｔ２および時間ｔ３のときの局所当量比φｌまで減少させても保炎範囲に入る。

また、時間ｔ１～時間ｔ３における局所当量比φｌおよび循環ガスにおける酸素濃度を前述した範囲内に設定することで、それぞれの条件が想定し得る範囲で変動しても保炎範囲内を維持することができる。

このような理由から、混合ガスの酸素濃度、第１の当量比、第２の当量比は、前述した範囲に設定される。

ここで、図７に示すように、乱流燃焼速度比は、着火後（ｔ１後）、タービン起動運転初期時（時間ｔ１～時間ｔ３）において急激に増加している。この乱流燃焼速度比の増加は、燃焼器１０内（燃焼器ライナ２０内）における圧力の上昇に伴って乱流燃焼速度が増大したことに起因する。

一般に、火炎の安定性は、乱流燃焼速度の増加に伴って向上する。燃焼器１０において、安定燃焼領域は、乱流燃焼速度比が５以上の範囲で得られる。すなわち、安定燃焼領域となる燃焼条件は、安定燃焼条件である乱流燃焼速度比５以上を満たしている。

この安定燃焼領域は、循環ガスにおける酸素濃度の条件によらず、タービン起動運転時およびタービン負荷運転時において安定した火炎が得られる領域である。安定燃焼領域では、例えば、循環ガスにおける酸素濃度がゼロの条件においても安定した火炎が得られる。

ここで、一般に、乱流燃焼速度は、燃焼器内の圧力が大きくなると大きくなる。燃焼器１０において、図４に示すように、時間ｔ１から時間ｔ５に向かって圧力が大きくなるため、乱流燃焼速度も大きくなる。時間ｔ３以降（時間ｔ３以上）で安定燃焼範囲になるのは、乱流燃焼速度がある一定以上の速度になり、消炎しにくくなったためと考えられる。

燃焼器１０におけるタービン起動運転初期時（時間ｔ１～時間ｔ３）の燃焼条件は、安定燃焼領域に入っていない。しかしながら、タービン起動運転初期時における燃焼条件を前述した混合ガスの酸素濃度、第１の当量比、第２の当量比に設定することで安定した火炎が維持される。

すなわち、タービン起動運転初期時（時間ｔ１～時間ｔ３）において、図４に示すように、循環ガスにおける酸素濃度を１０～１５ｗｔ％の範囲に維持することで、乱流燃焼速度比が５未満の範囲においても、火炎に十分に酸素が供給されて安定した火炎が維持される。

また、時間ｔ３～時間ｔ５における燃焼条件は、安定燃焼領域に入るため、循環ガスにおける酸素濃度を１０ｗｔ％未満、さらにはゼロとしても、安定した火炎が維持される。

上記したように、実施の形態のガスタービン燃焼器の運転方法によれば、タービン起動運転時において、循環ガスに酸素を含むことによって、燃料－酸化剤供給部３０から供給される酸素に加えて、燃焼器ライナ２０内の燃焼領域に導入される循環ガスにおいても酸素を供給することができる。これによって、火炎に酸素が十分に供給されて安定した火炎を維持することができる。

また、乱流燃焼速度が小さく火炎が不安定になるタービン起動運転初期時において、循環ガスにおける酸素濃度を１０～１５ｗｔ％の範囲で一定に維持することで、火炎に酸素が十分に供給され、消炎を防止することができる。そのため、タービン起動運転初期時においても、安定した火炎を維持することができる。

以上説明した実施形態によれば、タービン起動運転初期時において安定した燃焼が可能となる。

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…ガスタービン設備、１０…燃焼器、１５…燃焼器ケーシング、２０…燃焼器ライナ、２１…上流端壁、２１ａ…貫通口、２２…冷却孔、２３…希釈孔、３０…燃料－酸化剤供給部、３１…燃料供給管、３１ａ、３２ａ…出口、３２…酸化剤供給管、３３…スワーラ、４０…燃料供給部、４１、５１、６１…配管、４２、５２…流量調整弁、５０…酸化剤供給部、６０…ガス循環系統、６２…凝縮器、６３…圧縮機、７０…タービン、７５…発電機、８０…再生熱交換器、９０…トランジションピース、１００…制御装置、１１０…入力部、１２０…記憶部、１２１…タービン起動運転時データ、１２２…タービン負荷運転時データ、１３０…演算部、１３１…経過時間判定部、１３２…燃料－酸化剤流量判定部、１４０…出力部、φｌ…局所当量比、φｔ…トータル当量比。

Claims (5)

1. ケーシングと、
   前記ケーシング内に配置され、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器ライナと、
   前記燃焼器ライナに燃料を供給する燃料供給部と、
   前記燃焼器ライナに酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
   前記燃料供給部から供給される燃料の流量および前記酸化剤供給部から供給される酸化剤の流量を制御する制御装置と
   を備え、タービンの出口と前記ケーシングとを連結する循環系統を介して前記タービンから排出された排ガスが循環ガスとして前記ケーシング内に循環され、前記燃焼器ライナに設けられた貫通孔を介して前記循環ガスが前記燃焼器ライナ内に流入するガスタービン燃焼器の運転方法であって、
   前記ガスタービン燃焼器における着火前において、二酸化炭素に酸素を所定濃度含んだ混合ガスが前記循環ガスとして循環し、
   前記ガスタービン燃焼器における着火時から前記タービンの定格負荷時に亘る運転時間の中で、着火時から、安定した燃焼が可能な安定燃焼条件に達するまでは、
   前記制御装置は、
   前記燃料供給部から供給される燃料の流量および前記酸化剤供給部から供給される酸化剤の流量を制御して、前記混合ガスにおける酸素濃度と同じ酸素濃度が維持された燃焼ガスを前記循環ガスとして循環させることを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方法。
2. 前記制御装置は、
   前記着火時である第１の時間に、
   前記燃料供給部から供給される燃料の流量と前記酸化剤供給部から供給される酸化剤の流量から算出される局所当量比を第１の当量比で燃焼させ、
   前記第１の時間からそれよりも後の第２の時間までは、
   燃料の流量および酸化剤の流量を増加させつつ、前記局所当量比を前記第１の当量比からそれよりも小さい第２の当量比まで徐々に減少させながら燃焼させ、前記混合ガスにおける酸素濃度と同じ酸素濃度が維持された燃焼ガスを前記循環ガスとして循環させ、
   前記第２の時間から、それよりも後の、前記安定燃焼条件に達する時である第３の時間までは、
   燃料の流量および酸化剤の流量を増加させつつ、前記局所当量比を前記第２の当量比に維持した状態で燃焼させ、前記混合ガスにおける酸素濃度と同じ酸素濃度が維持された燃焼ガスを前記循環ガスとして循環させ、
   前記第３の時間からそれよりも後の前記タービンの定格運転時までは、
   燃料の流量および酸化剤の流量を制御して、前記局所当量比を前記第２の当量比から増加させ、
   前記タービンの定格運転時において、
   燃焼ガスである前記循環ガスにおける酸素濃度をゼロとすることを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器の運転方法。
3. 前記第１の当量比が、０．８～０．９であることを特徴とする請求項２記載のガスタービン燃焼器の運転方法。
4. 前記第２の当量比が、０．３５～０．４５であることを特徴とする請求項２または３記載のガスタービン燃焼器の運転方法。
5. 前記混合ガスにおける酸素濃度が１０～１５ｗｔ％であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のガスタービン燃焼器の運転方法。

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