JP3578852B2 - マルチバーナ式燃焼器の燃料供給システム及び該燃料供給システムを持つガスタービン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマルチバーナ式燃焼器の燃料供給システム及び該燃料供給システムを持つガスタービンに関し、特に、マルチバーナ式燃焼器に簡単な構成を付加するのみで、負荷条件に応じてバーナの作動本数を増減する際の燃焼状態を一層安定化しかつ低ＮＯ_ｘ 燃焼を可能としたマルチバーナ式燃焼器の燃料供給システム及び該燃料供給システムを持つガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ガスタービンを用いたコジェネレーションシステムにおけるＮＯ_ｘ 低減策は緊要な課題とされ、一つの方法として燃焼器内部へ水あるいは蒸気を噴射することが行なわれてきた。しかし、ＮＯ_ｘ 規制強化に伴う噴射率の増加は、設備費や運転経費あるいはメンテナンス費の増加を引き起し、かつ、熱効率の低下等を招くことから、水あるいは蒸気の噴射によらない他の態様によるＮＯ_ｘ 低減策が求められている。
【０００３】
本出願人らは、ＮＯ_ｘ 規制強化に対応可能なガスタービン用の燃焼器について多くの研究と実験を行い、いわゆる「ドライ」で、しかも水や蒸気噴射よりも低いＮＯ_ｘ レベルを達成できる新規なガスタービン用燃焼器として、マルチバーナ式燃焼器を開発し、すでに提案している（コ−ジェネレーションシンポジウム’９５ 発表抄録集、ｐ５５〜ｐ６８参照）。
【０００４】
図３は該マルチバーナ式燃焼器の一例を説明する断面図であり、外筒１の内部にバーナ部１０と内筒２０とが配置され、内筒２０の内部は燃焼室を構成する。バーナ部１０は、中心部に位置するパイロットバーナＰと、その周囲に位置する複数本（図示の実施例では８本）のメインバーナＭとで構成される。各メインバーナＭはスワーラ１３下流部に燃料分散スポーク１４を千鳥配置した構造であり、該燃料分散スポーク１４に設けた多数の小孔（図示されない）より燃料を噴射し、下流部の混合通路１５中で燃焼用空気と均一に混合させた後、主燃焼室２１内で希薄予混合燃焼させる。
【０００５】
さらに、主燃焼領域２１の出口部近傍には複数本（図示の実施例では４本）の追い焚きバーナｍを配置しており、該追い焚きバーナｍは燃焼用空気の導入孔２３の入口部に燃料を噴射し、空気と混合させて燃焼室内に供給する。追い焚き燃料は主燃焼領域２１出口部近傍の高温の燃焼ガス中に供給されるため、通常では燃焼できないような希薄な混合気でも燃焼させることが可能となる。このため、この形式の燃焼器においては、追い焚き燃料の燃焼によるＮＯ_ｘ の生成はほとんど生じることはなく、また、追い焚きを行なうことによって主燃焼領域２１に供給される燃料は追い焚き燃料量だけ少なくなる。その結果、主燃焼領域２１で生成されるＮＯ_ｘ 量も減少し、タービンから排出されるＮＯ_ｘ 量はさらに低減する。なお、図３において、２４は点火プラグ、２５は希釈空気孔である。
【０００６】
図４はパイロットバーナＰ、メインバーナＭ群、及び追い焚きバーナｍ群の配置状態の一例を模式的に示す図であり、図示のように、この例では、パイロットバーナＰの周囲に配置されるメインバーナＭ群は２本組の４つのグループ（Ｍ１〜Ｍ４）に分けられ、同一グループの２本のメインバーナは互いに対称の位置に配置されている。また、４本の追い焚きバーナｍも９０°の等しいピッチで配置されている。
【０００７】
ところで、予混合燃焼では、ＮＯ_ｘ 生成量の空燃比に対する依存性が非常に大きく、低ＮＯ_ｘ でかつＣＯやＴＨＣ等の未燃成分の発生が少ない燃焼条件は、希薄燃焼限界の狭い空燃比範囲内に限られる。この範囲よりも燃料が増加するとＮＯ_ｘ は急激に増加し、逆に減少するとＣＯやＴＨＣの排出量が急激に増え、条件によっては燃焼が不安定となり失火が生じる。従って、ガスタービンの作動領域全般に渡って低ＮＯ_ｘ でかつ安定した燃焼を行なうためには、負荷変動にかかわらず混合気の空燃比を常に一定範囲内に保つような制御を行なうことが必要とされる。
【０００８】
そのために、上記のマルチバーナ式燃焼器においては、運転負荷条件に合わせて、作動するバーナの本数を増減するようにしている。図５はそのための制御システムの一例を示す。燃料ガスＧは燃料制御弁ＧＣＶを通過して燃料マニホールド５０に入る。燃料マニホールド５０は、パイロットバーナＰ、メインバーナＭの４つのグループ（Ｍ１〜Ｍ４）、及び追い焚きバーナｍの群（ｍ）と、それぞれパイロット燃料供給ラインＬ_ｐ 及び主燃料供給ラインＬ_１ 〜Ｌ_４ 、Ｌ_ｍ を介して接続しており、主燃料供給ラインＬ_１ を除く他のそれぞれの燃料供給ラインには空気圧制御遮断弁Ｖ_Ｐ 、Ｖ_２ 〜Ｖ_４ 、Ｖ_ｍ が配置される。各空気圧制御遮断弁Ｖ_Ｐ 、Ｖ_２ 〜Ｖ_４ 、Ｖ_ｍ は、図示しないシーケンサからの信号により作動する空気マニホールド６０に接続した５個の操作空気制御用の３方口電磁弁ＥＶ_Ｐ 、ＥＶ_２ 〜ＥＶ_４ 、ＥＶ_ｍ により開閉操作される。
この制御システムは次のように操作される。
【０００９】
（１）始動時
始動時には、ガスタービンの回転数が所定値、例えば５％に達すると、燃料制御弁ＧＣＶを開くと共に、バーナ制御ユニットにおいて、３方口電磁弁ＥＶ_Ｐ を操作してパイロット燃料供給ラインＬ_Ｐ の遮断弁Ｖ_Ｐ を開く。これによって、パイロツトバーナＰの燃料ラインＬ_Ｐ と点火プラグ２４に隣接する主バーナＭ１の燃料ラインＬ_１ に燃料が流れ、着火が行なわれる。なお、燃料ラインＬ_１ に遮断弁が設けられないのは、このガスタービンにおいて、運転中、最低２個のバーナ（Ｍ１、Ｍ１）は常時燃焼状態に置くことを前提としているためであり、必要な場合には、ここにも遮断弁が配置される。
【００１０】
（２）定常運転時
図６は、定常運転時における各バーナの作動状態を説明するものであり、無負荷から３５％負荷の間は、パイロットバーナＰと２個の主バーナ（Ｍ１、Ｍ１）にのみ燃料が供給される（ステップ１）。３５％負荷条件に達すると、３方口電磁弁ＥＶ_２ を操作して主バーナＭ２への燃料供給ラインＬ_２ の遮断弁Ｖ_２ を開く（ステップ２）。６０％負荷条件に達すると、３方口電磁弁ＥＶ_Ｐ を操作してパイロット燃料ラインＬ_Ｐ の遮断弁Ｖ_Ｐ を閉じると同時に、３方口電磁弁ＥＶ_３ を操作して主バーナＭ３への燃料供給ラインＬ_３ の遮断弁Ｖ_３ を開く（ステップ３）。７５％負荷条件に達すると、３方口電磁弁ＥＶ_４ を操作して主バーナＭ４への燃料供給ラインＬ_４ の遮断弁Ｖ_４ を開く（ステップ４）。８７．５％負荷条件に達すると３方口電磁弁ＥＶ_ｍ を操作して追い焚きバーナｍへの燃料供給ラインＬ_ｍ の遮断弁Ｖ_ｍ を開き、パイロットバーナＰを除く全てのバーナに燃料を供給する（ステップ５）。
【００１１】
図７は、上記の燃料制御システムによる実機試験で得られた燃焼特性を示す。定格負荷（１００％負荷）でのＮＯ_ｘ 値は約６０ｐｐｍ（Ｏ_２ ＝０％換算）で、目標値を十分にクリアしている。この値は追い焚きを用いない場合の約１／２であり、追い焚きによるＮＯ_ｘ 低減効果の大きいことがわかる。また、７０〜１００％負荷範囲でＮＯ_ｘ 値は６０ｐｐｍ以下となっており、広い範囲で低ＮＯ_ｘ 運転が可能となる。
【００１２】
空燃比を制御する方法としては、従来、▲１▼可変静翼によりガスタービンの吸気流量を制御する、▲２▼圧縮機出口で抽気の量を制御する、▲３▼燃焼器に可変機構を設けて燃焼用空気量を制御する、等が行なわれているが、コジェネレーションシステム等に用いられる比較的小型のガスタービンでは、可変静翼を持たない場合が多く、また、ガスタービンそのものに構成が簡単でメンテナンスが容易なことが求められることから、図３に示す形式のマルチバーナ式燃焼器を用いて、上記のような制御を行ない、ガスタービンにかかる負荷（燃料流量）に応じて、作動する（燃料を供給する）バーナグループを切り換えることによって、ガスタービンにかかる負荷が変化しても、作動しているバーナの混合気の空燃比を一定範囲内に保つようにすることが可能となる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
前記の制御において、負荷に応じてバーナの作動本数を切り換える際に、その切り換え点では各バーナに供給される燃料流量がステップ状に変化し、図７に示すように、ＮＯ_ｘ 及び燃焼効率はステップ状に変化する。また、ステップ１、２、３のようにバーナ作動本数が少ない場合は、作動していないバーナを通過する空気によって燃焼反応が凍結される割合が増加するため、混合気の当量比を燃料過濃にしないと燃焼が不安定になる恐れがある。このため、作動バーナが２本、４本、６本の場合には、全てのバーナが作動している場合に比べてＮＯ_ｘ 排出量が多くなりがちであり、また、燃焼効率が低い結果となる。さらに、バーナ作動本数が同じ状態のまま負荷を低減させると混合気の燃料濃度が希薄となるため燃焼効率が低下する。
【００１４】
これらの理由から、図７に示す例のように、例えば７５％負荷切り換え時（ステップ４）では、６本の主バーナ（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）から排出するＮＯ_ｘ 量はほぼ１２０ｐｐｍと目標値を超える場合が起こり得る。また、３５％負荷切り換え時（ステップ２）及び６０％負荷切り換え時（ステップ３）でも、ＮＯ_ｘ 値は目標値を大きく超えており、過度的状態とはいえ、より低ＮＯ_ｘ 条件での切り換えが望まれる。
【００１５】
しかし、ＮＯ_ｘ 値の低い条件で切り換えようとすると、前記のように燃焼条件（燃焼効率）が悪化しており失火する危険性があることから、実機の運転では採用することができない。上記の例では２本のバーナを組として用い、一本の主燃料供給ラインから２本のバーナに同時に燃料を供給することから、供給される燃料流量の変化が大きくなり、このような弊害がもたらされるともいえる。８本のバーナにそれぞれ遮断弁を配置して切り換えステップ段数を増やすことにより、上記の不都合は回避可能であるが、個々の（８個の）バーナに遮断弁を設けてその切り換えシステムを構築することは、システムが複雑になりコストも高くなることから、現実的な解決策とはいえない。遮断弁ではなく流量調整弁あるいは可変オリフィスを各燃料供給ラインに配置することにより、前記不都合を解消することも理論的には可能であるが、技術的にもコスト的にも、採用できる解決策ではない。
【００１６】
本発明の目的は、本出願人がすでに提案している前記したマルチバーナ式燃焼器の燃料供給システムに内在する前記のような不都合を、簡単な構成を付加することにより解決することにあり、より具体的には、失火を伴うことなくかつ低ＮＯ_ｘ 燃焼条件を維持した状態で、負荷条件に応じてバーナの作動本数を安定的に増減できるようにしたマルチバーナ式燃焼器の改良された燃料供給システムを提供することにある。
【００１７】
また、本発明の目的は、前記改良された燃料供給システムにより制御されるマルチバーナ式燃焼器を持つガスタービンを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するための本発明は、負荷条件に応じてバーナの作動本数を増減するようにされたマルチバーナ式燃焼器の燃料供給システムであって、燃料マニホールドから各バーナへの主燃料供給ラインの少なくとも１つに、燃料マニホールドからのバイパス燃料ラインを接続し、該バイパス燃料ラインにはオリフィスを配置したことを特徴とする。
【００１９】
該オリフィスは当該主燃料供給ラインの燃料流量の１／２流量となるように設定されることが望ましく、操作性及び構成の容易性から、固定オリフィスであることが望ましい。しかし、可変オリフィスであっても初期の目的は達成可能である。また、バーナの本数は２本以上であることを条件に任意であり、かつ、バーナの本数あるいは配置状態によっては、複数の主燃料供給ラインに該オリフィス付きのバイパス燃料ラインを接続するようにしてもよい。この場合には、構成的には複雑となるが、一層の着火の安定性がもたらされる。
【００２０】
また、本発明は、負荷条件に応じてバーナの作動本数を増減するようにされたマルチバーナ式燃焼器を持つガスタービンであって、該マルチバーナ式燃焼器の燃料マニホールドから各バーナへの主燃料供給ラインの少なくとも１つには、燃料マニホールドからのバイパス燃料ラインが接続され、かつ、該バイパス燃料ラインにはオリフィスが配置されていることを特徴とガスタービンをも開示する。
【００２１】
本発明によるマルチバーナ式燃焼器の燃料供給システムによれば、運転負荷条件に合わせて作動するバーナの本数を増加しようとするときには次のような制御を行なう。すなわち、負荷が増加して新たなバーナに点火する切り換え点（従来システムでの負荷値よりも低い値にセットされる）に達したとき、点火しようとするバーナに接続する主燃料供給ラインの遮断弁は閉じた状態で、該オリフィス付きのバイパス燃料ラインに配置した遮断弁を開く。それにより、バイパス燃料ラインに接続したバーナには該オリフィスで制限された量の燃料が供給される。オリフィスが１／２流量に制限される場合には、主燃料供給ラインの供給量の半分の量の燃料が供給される。その後、負荷が増加して所定値（従来システムでの負荷値あるいはそれよりも高い値にセットされる）に達したとき、バイパス燃料ラインを閉じて、所期の主燃料ラインの遮断弁を開く。
【００２２】
従来の燃料供給システムにおけるバーナ増加時での燃料流量の変化量を１とした場合、上記の操作で本発明によるバイパス燃料ラインを開閉することにより、０．５の流量変化量を得ることが可能となり、なだらかな流量変化でもって、バーナの作動本数の増加操作を終えることができる。そのために、例えば、２、４、６、８本と２本ずつ増加させる場合であっても、各バーナに供給される燃料流量の変化は、バーナの作動本数を１本ずつ増やした場合と同等になる。それにより、失火の危険性は回避され、同時に切り換え前のＮＯ_ｘ 値が規制値をオーバーしない範囲での切り換えが可能となる。
【００２３】
さらに、バーナの作動本数を減少する場合にも、同様の手順を繰り返すことにより、失火の危険性は回避され、ＮＯ_ｘ 値も低減可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図３〜図７に基づき説明したマルチバーナ式燃焼器の燃料供給システムに本発明によるバイパス燃料ラインを付加する場合を例にとり説明する。図１は本発明によるマルチバーナ式燃焼器の燃料供給システムの一実施例を説明する回路図であり、基本的には図５に示した燃料制御システムと同じものであり、その一つの主燃料供給ラインＬ_４ に本発明によるバイパス燃料ラインＢＬが接続されている。従って、図５に示される各部材と同じ部材には同じ符号を付すにとどめ、詳しい説明は省略する。
【００２５】
この実施例において、前記バイパス燃料ラインＢＬは一端は燃料マニホールド５０に接続し、他端は主燃料供給ラインＬ_４ にその遮断弁Ｖ_４ の下流位置で接続している。さらに、バイパス燃料ラインＢＬには遮断弁ＶＢとその下流にオリフィスＲが配置され、該遮断弁ＶＢは、図示しないシーケンサからの信号により作動する空気マニホールド６０に接続した操作空気制御用の３方口電磁弁ＥＶＢにより開閉操作される。
【００２６】
図２は、図１に示した燃料制御システムを、図７の燃焼特性を得た実機試験に用いたと同じマルチバーナ式燃焼器に用いて実機実験した場合の燃焼特性を示している。図２を参照して、本発明による燃料制御システムの制御について説明する。この例において、バイパス燃料ラインＢＬは主燃料供給ラインＬ_４ に接続しており、ステップ３（メインバーナ６本作動）の状態からステップ４（メインバーナ８本作動）への切り換わり時での制御となる。
【００２７】
前記したように、メインバーナ６本作動（６Ｍ）の状態で高い燃焼効率を得ようとすると、ＮＯ_ｘ 発生率は基準値（目標値）を超えてしまう。ＮＯ_ｘ 発生値が目標値以下の時点Ａで、残り２本のバーナ（Ｍ４）に接続する主燃料供給ラインＬ_５ を開くと、燃焼効率が低いために失火の恐れがある。
【００２８】
そこで、本発明による燃料制御システムにおいては、前記Ａの時点（ＮＯ_ｘ 値が目標値以下の範囲）でバイパス燃料ラインＢＬに設けた遮断弁ＶＢを開く。それにより、バイパス燃料ラインＢＬに設けたオリフィスＲの開度に比例する流量変化が先ず得られる。オリフィスＲの開度を主燃料供給ラインＬ_４ の燃料流量の１／２流量となるように設定する場合には、バーナの作動本数があたかも６本＋１本であるかの状態が得られ、従来のシステムにおける６本→８本の場合に比較して、燃料流量の変化率を低くすることができる。それにより、低ＮＯ_ｘ 燃焼に加え、失火が生じる恐れを回避できる。
【００２９】
その後、負荷が増加して所定値Ｂ（従来システムでの切り換え負荷値あるいはそれよりも幾分高い値）に達した時点で、バイパス燃料ラインＢＬの遮断弁ＶＢを閉じて、主燃料供給ラインＬ_４ の遮断弁Ｖ_４ を開き、バーナ作動本数８本の運転を行なう。この際の流量変化率はバーナ１本分であり、また、高い燃焼効率が得られていることから失火の恐れはなく、ＮＯ_ｘ 生成量も目標値以下に維持される。
【００３０】
上記のとおり、本発明による改良された燃料制御システムは、従来の燃料制御システムにバイパス燃料ラインＢＬとその制御手段を追加するのみで構築可能であり、複雑な構成を必要としない。従って、高いコストを必要とせずまた操作もメンテナンスも容易となる。また、本発明による改良された燃料制御システムを持つマルチバーナ式燃焼器及び該燃焼器を用いたガスタービン燃焼器においては、負荷変動に伴い作動バーナ切り換えを所定の空燃比を維持した状態で容易に遂行可能となり、ＮＯ_ｘ 生成量を目標値以下に維持することも容易となる。また、失火の発生も回避できる。
【００３１】
上記の説明は本発明によるマルチバーナ式燃焼器の燃料供給システムの一実施例の説明にすぎず、他に多くの変形例が存在する。先ず、マルチバーナ式燃焼器のバーナ本数は８本に限ることなく任意であり、また、２本のバーナが対となって点火される形式であることも必須でない。追い焚きバーナも必須でない。さらに、図２では、バイパス燃料ラインＢＬを主燃料供給ラインＬ_４ に接続するものとして示したが、これは、主燃料供給ラインＬ_４ が最大負荷時に作動するようにされたバーナ群（すなわち、最後に点火されるバーナ群）への燃料供給ラインであるためであり、他の燃料供給ラインが最大負荷時に作動するバーナに接続する場合には、その燃料供給ラインに接続するように配置する。バイパス燃料ラインＢＬに遮断弁とオリフィスの双方を配置することも必須でなく、流量調整弁等のように可変流量を得ることのできる手段であれば、それのみでも所期の目的は達成可能である。
【００３２】
また、上記の説明では、本発明の制御を６本から８本への切り換わり時に適用した場合を説明したが、２本から４本、４本から６本のように他のステップでの切り換わり時にも同様に適用できることは理解されよう。それにより、定格負荷に至るまでの制御での、低ＮＯ_ｘ 燃焼及び失火の回避が可能となる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、マルチバーナ式燃焼器の燃料供給システムに簡単な構成を付加するのみで、負荷条件に応じてバーナの作動本数を増減する際の燃焼状態を一層安定化しかつ低ＮＯ_ｘ 燃焼を可能とすることができ、ガスタービンを用いたコジェネレーションシステムにおけるＮＯ_ｘ 低減策としてきわめて有効に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料供給システムを説明する図。
【図２】本発明による燃料供給システムを実機に提要した場合の運転状態を示す図。
【図３】マルチバーナ式燃焼器を説明する断面図。
【図４】マルチバーナ式燃焼器のバーナの配置を説明する模式図。
【図５】従来の燃料供給システムを説明する図。
【図６】マルチバーナ式燃焼器のバーナの切り換え状態を説明する図。
【図７】従来の燃料供給システムを実機に提要した場合の運転状態を示す図。
【符号の説明】
５０…燃料マニホールド、６０…空気マニホールド、Ｌ_Ｐ 、Ｌ_１ 〜Ｌ_４ 、Ｌ_ｍ …燃料供給ライン、Ｖ_Ｐ 、Ｖ_２ 〜Ｖ_４ 、Ｖ_ｍ …遮断弁、ＥＶ_ｐ 、ＥＶ_２ 〜ＥＶ_４ 、ＥＶ_ｍ …３方口電磁弁、Ｐ…パイロットバーナ、Ｍ１〜Ｍ４…メインバーナ、ｍ…追い焚きバーナ、ＢＬ…バイパス燃料ライン、ＶＢ…バイパス燃料ライン用遮断弁、Ｒ…オリフィス、ＥＶＢ…バイパス燃料ライン操作空気制御用の３方口電磁弁

Claims (4)

1. 中心部に位置するパイロットバーナと、その周囲に位置する予混合燃焼用の複数本のメインバーナとで構成され、負荷条件に応じてバーナの作動本数を増減するようにされた予混合燃焼型マルチバーナ式燃焼器の燃料供給システムであって、燃料マニホールドから各メインバーナへの主燃料供給ラインの少なくとも１つに、燃料マニホールドからのバイパス燃料ラインを接続し、該バイパス燃料ラインには遮断弁と当該主燃料供給ラインの燃料流量の１／２流量となるように設定できるオリフィスを配置したことを特徴とする予混合燃焼型マルチバーナ式燃焼器の燃料供給システム。
2. 該オリフィスは固定オリフィスであることを特徴とする請求項１記載の予混合燃焼型マルチバーナ式燃焼器の燃料供給システム。
3. 該オリフィスは可変オリフィスであることを特徴とする請求項１記載の予混合燃焼型マルチバーナ式燃焼器の燃料供給システム。
4. 中心部に位置するパイロットバーナと、その周囲に位置する予混合燃焼用の複数本のメインバーナとで構成され、負荷条件に応じてバーナの作動本数を増減するようにされた予混合燃焼型マルチバーナ式燃焼器を持つガスタービンであって、該予混合燃焼型マルチバーナ式燃焼器の燃料マニホールドから各メインバーナへの主燃料供給ラインの少なくとも１つには、燃料マニホールドからのバイパス燃料ラインが接続され、該バイパス燃料ラインには遮断弁と当該主燃料供給ラインの燃料流量の１／２流量となるように設定できるオリフィスが配置されていることを特徴とするガスタービン。

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