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