JP4838107B2

JP4838107B2 - ガスタービン、高湿分利用ガスタービン及びガスタービンに用いられる燃焼器

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Publication number: JP4838107B2
Application number: JP2006333095A
Authority: JP
Inventors: 知己小金沢; 圭祐三浦; 武雄齋藤; 一幾阿部
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2026-12-11
Also published as: JP2008144671A

Description

本発明は、ガスタービンに搭載する低ＮＯｘ燃焼器を安定に運用するガスタービン、高湿分利用ガスタービン及びガスタービンに用いられる燃焼器に関する。

ガスタービンでは燃焼器によって燃料を燃焼してタービンの動作流体となる燃焼ガスを生じさせているが、燃焼器で燃料を燃焼させた際に窒素酸化物（ＮＯｘ）が発生する。

ＮＯｘとしては、燃料として天然ガスや灯油、軽油等の窒素含有量の少ない燃料を用いる場合に、空気中の窒素が酸化されて発生するサーマルＮＯｘが大部分である。

このサーマルＮＯｘの生成は温度依存性が高いため、一般に上記した燃料を燃焼器で燃焼させるガスタービンでは燃焼器で燃焼する火炎温度を低減させることが低ＮＯｘ燃焼法の基本思想である。

火炎温度を低減する方策として、燃料と空気を予め混合した後に燃焼器で燃焼させる予混合燃焼が知られている。

ところで、たとえばジメチルエーテルのように自発火温度が低い燃料を用いる場合には、燃料の自発火を防止しつつ、火炎温度を適度に制御して低ＮＯｘ化を図るためには、特開２００３−１４８７３４号公報に記載されているような燃料と空気を多数の小径の同軸噴流として燃焼室に噴出する技術が有効である。

一方、ガスタービン作動流体（空気）に水分を添加して加湿し、この加湿空気によってガスタービン排ガスの持つ熱エネルギーを回収することで、出力及び効率の向上を図る高湿分ガスタービン発電プラントでは、特開２００５−３０７８６１号公報に記載されているように水分添加開始後の負荷変動に対し空気中の湿分量を安定に制御する技術が開示されている。

一般に、ガスタービン起動時の回転数上昇時には、圧縮機吸込み空気流量や回転体の振動特性が変化するため、定格回転数到達後に比べると外乱により系が不安定になりやすい傾向がある。高湿分ガスタービンプラントにおいて、回転数上昇途中に水分添加を開始すると、ガスタービンに対して外乱を与えることになるため、起動時の安定性を確保するためには、定格回転数到達後の部分負荷状態で水分添加を開始する方が望ましい。

また、高湿分ガスタービンプラントは再生器により燃焼用空気が高温化されているため、天然ガス等の通常の燃料を用いる際にも、燃料の自発火を防止しつつ、火炎温度を適度に制御して低ＮＯｘ化を図るためには、特開２００３−１４８７３４公報に示されているような、燃料と空気を多数の小径の同軸噴流として燃焼室に噴出する方法が有効である。

また、特開平１０−３１７９９１号公報には、予混合バーナを有するガスタービン燃焼器を備えたガスタービンではあるが、ガスタービンの負荷変化時の燃焼安定化を実現するために、予混合燃焼する予混合バーナの失火状態を検出する温度検出器を予混合バーナに対応した位置の燃焼器ライナに設置し、この温度検出器で検出した失火状態の予混合バーナに対して燃料の供給量を増加させて該予混合バーナの燃焼を確保する技術が開示されている。

特開２００３−１４８７３４号公報特開２００５−３０７８６１号公報特開平１０−３１７９９１号公報

特開２００５−３０７８６１号公報に記載されているような高湿分ガスタービンプラントで水分添加が開始されると、燃焼器においては燃焼空気中の湿分が増加するため、燃料の燃焼熱が湿分に奪われる分、火炎温度が低下し、ＮＯｘ発生量は減少する。

また、水分の添加によってタービン作動流体が増加するため、発電用にガスタービンの回転数を一定に保持するために燃料が減少することによって燃焼器の火炎温度が低下し、ＮＯｘ発生量は減少する。

さらに火炎温度が低下したことにより再生器での回収熱量が減少するため、燃焼用に供給している空気温度が低下することによって燃焼器の火炎温度が低下し、ＮＯｘ発生量は減少する。

このように水分添加が開始されることよって、湿分増加、燃料減少、空気温度低下が同時に進行して火炎温度が低下するため、ＮＯｘ発生量は減少するのであるが、逆にその分だけ燃焼器における火炎の安定性は悪くなる。

燃焼器の空気配分の設定時には、火炎温度がある程度低下したような条件でも火炎の吹き消えが生じないように、燃焼器頭部の同軸噴流部に供給する空気流量を適切に設定することができるが、水分添加開始前には上記とは逆に火炎温度が高くなるため、火炎の安定性は確保されるもののＮＯｘ発生量は増加してしまう。

すなわち、高湿分ガスタービンプラントにおいては、水分添加開始前後で、燃焼器のＮＯｘ生成および火炎安定性に対して大きな条件変化が生ずるため、このような条件変化に対しても燃焼器を低ＮＯｘで燃焼させ、且つ火炎を安定に制御する有効な手段が求められていた。

同様に通常のガスタービンにおいても、年間を通しての気候の変化や、圧縮機等の機器特性の経年変化によって、燃焼用空気の流量や温度、湿度が変化し、燃焼器のＮＯｘ生成および火炎安定性に影響するため、このような長いスパンでの条件変化に対しても燃焼器を低ＮＯｘ、且つ火炎を安定に制御する手段が求められていた。

本発明の目的は、燃焼器のＮＯｘ生成および火炎安定性に影響する種々の条件変化に対しても、燃焼器の燃焼室にて火炎を安定に維持しつつ、ＮＯｘ発生量を低レベルに抑制することを可能にしたガスタービン、高湿分空気利用ガスタービン及びガスタービンに用いられる燃焼器を提供することにある。

本発明のガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気と燃料を燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で燃焼した燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備えたガスタービンにおいて、燃焼器の燃料ノズルには燃料を供給する複数の燃料系統を配設し、燃焼器の燃料ノズルには供給された燃料を燃焼室に噴出させる多数の燃料小ノズルと、これらの燃料小ノズルに夫々対応して空気を燃焼器に噴出させる空気孔が多数形成され、該空気孔は中心から外周側に向かって環状で複数列に配置された空気孔プレートを前記燃料小ノズルに近接させて燃焼器の燃焼室に面するように夫々設置し、燃料ノズルに設けた空気孔プレートの少なくとも中心側に配置された複数の空気孔は噴出する空気に旋回流をかけるように形成すると共に、この空気孔より外周側に配置された複数の空気孔を前記燃料小ノズルと同心状に形成して、前記燃焼器の着火時及びガスタービンの昇速時は前記中央側の燃料小ノズルのみに燃料を供給し、低負荷運転から定格負荷運転にかけて中央側から最外周側の燃料小ノズルに向かって連続的に燃料を供給するように構成され、この空気孔プレートにメタル温度を検出する第１の温度検出器を設置し、圧縮機から燃焼器に空気を供給する流路に空気温度を検出する第２の温度検出器を設置し、前記第１の温度検出器と第２の温度検出器で検出した温度差に基づいて燃焼器の燃料ノズルに供給する燃料流量値を演算する制御装置を備え、前記制御装置は前記温度差が設定したしきい値を下回った場合に前記複数の燃料系統を通じて前記中央側の燃料小ノズルに供給される燃料の流量を増加させる制御を行うように構成したことを特徴とする。

また、本発明のガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気と燃料を燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で燃焼した燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備えたガスタービンにおいて、燃焼器の燃料ノズルには燃料を供給する複数の燃料系統を配設し、燃焼器の燃料ノズルには燃料系統から供給された燃料を燃焼室に噴出させると共に、燃焼室に供給する空気に旋回流を生じさせる旋回羽根を有する中央燃料ノズルと、この中央燃料ノズルの外周側に配置されて他の燃料系統から供給された燃料を空気と共に燃焼室に噴出させる周辺燃料ノズルとを備えさせ、燃料ノズルの中央燃料ノズルの位置にメタル温度を検出する第１の温度検出器を設置し、圧縮機から燃焼器に空気を供給する流路には空気温度を検出する第２の温度検出器を設置し、前記第１の温度検出器と第２の温度検出器で検出した温度差に基づいて燃焼器の燃料ノズルに供給する燃料流量値を演算する制御装置を備え、前記制御装置は前記温度差が設定したしきい値を下回った場合に前記複数の燃料系統を通じて前記中央燃料ノズルに供給される燃料の流量を増加させる制御を行うように構成したことを特徴とする。

また本発明の高湿分空気利用ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気を加湿する増湿装置と、この増湿装置で加湿された空気と燃料を燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で燃焼した燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備えた高湿分空気利用ガスタービンにおいて、燃焼器の燃料ノズルには燃料を供給する複数の燃料系統を配設し、燃焼器の燃料ノズルには供給された燃料を燃焼室に噴出させる多数の燃料小ノズルと、これらの燃料小ノズルに夫々対応して空気を燃焼器に噴出させる空気孔が多数形成され、該空気孔は中心から外周側に向かって環状で複数列に配置された空気孔プレートを前記燃料小ノズルに近接させて燃焼器の燃焼室に面するように夫々設置し、燃料ノズルに設けた空気孔プレートの少なくとも中心側に配置された複数の空気孔は噴出する空気に旋回流をかけるように形成すると共に、この空気孔より外周側に配置された複数の空気孔を前記燃料小ノズルと同心状に形成して、
前記燃焼器の着火時及びガスタービンの昇速時は前記中央側の燃料小ノズルのみに燃料を供給し、低負荷運転から定格負荷運転にかけて中央側から最外周側の燃料小ノズルに向かって連続的に燃料を供給するように構成され、この空気孔プレートにメタル温度を検出する第１の温度検出器を設置し、圧縮機から燃焼器に空気を供給する流路に空気温度を検出する第２の温度検出器を設置し、前記第１の温度検出器と第２の温度検出器で検出した温度差に基づいて燃焼器の燃料ノズルに供給する燃料流量値を演算する制御装置を備え、前記制御装置は前記温度差が設定したしきい値を下回った場合に前記複数の燃料系統を通じて前記中央側の燃料小ノズルに供給される燃料の流量を増加させる制御を行うように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、燃焼器のＮＯｘ生成および火炎安定性に影響する種々の条件変化に対しても、高湿分空気利用ガスタービン火炎を安定に維持しつつ、ＮＯｘ発生量を低レベルに抑制することを可能にしたガスタービン、高湿分空気利用ガスタービン及びガスタービンに用いられる燃焼器を実現できる。

本発明の実施例であるガスタービン、高湿分空気利用ガスタービン及びガスタービンに用いられる燃焼器について図面を参照して以下に説明する。

図面を用いて本発明を高湿分ガスタービンシステムに適用した実施例について説明する。図１は本発明の一実施例である高湿分ガスタービンシステムの全体構成を表すシステムフロー図である。

図１において、発電用の高湿分ガスタービンを構成する主要機器として、空気を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１から供給される圧縮空気と燃料とを燃焼して燃焼ガスを発生する燃焼器２と、燃焼器２で発生した燃焼ガスを動作流体として駆動されるタービン３と、燃焼器２に供給される圧縮空気を加湿する増湿器４と、タービン３から排出される燃焼ガス中の熱量を回収する再生器５とが備えられており、このタービン３を駆動した出力によりタービン３と連結された発電機２０を回転させて電力を得ている。

燃焼器２は、本体ケーシング６と、燃焼器ケーシング７と、燃焼器カバー８とで区画された内側に円筒状の燃焼器ライナ１０を格納して構成している。

燃焼器２の上流端となる燃焼器カバー８には燃料を供給する燃料ノズル９が設置されており、燃料ノズル９の下流側となる燃焼器ケーシング７の内部には、外周側の未燃の空気と内周側の燃焼室で燃料を燃焼させて発生した燃焼ガス１０６ａとを隔てる概略円筒状の燃焼器ライナ１０が配設されている。

そしてこの燃焼器ライナ１０の外周側には、圧縮機１から供給された圧縮空気の空気流路を形成し、燃焼器ライナ１０の内側に導く空気の流れを制御するための外周壁（以下、フロースリーブ１１と称する）が設置されている。このフロースリーブ１１は燃焼器ライナ１０よりも外形の直径が大きく、ほぼ同心円筒状に配置されている。

燃焼器ライナ１０の下流には、燃焼器ライナ１０の内側で燃料と空気を燃焼させて発生した高温の燃料ガス１０６ａをタービン３へ導くために接続された尾筒内筒１２が設置されており、その外周側にはこの尾筒内筒１２を覆う尾筒外筒１３が設置されている。

本実施例の高湿分ガスタービンでは、圧縮機１の入口のガスタービンの吸い込み空気１００ａに配管３００を通じて導かれた水３００ａを噴霧する吸気噴霧装置２７を備えている。

この吸気噴霧装置２７からガスタービンの吸い込み空気１００ａに水３００ａを噴霧した水噴霧後の空気１０１ａ（大気圧）は、圧縮機１によって圧縮されて高圧空気１０２ａとなる。

この高圧空気１０２ａは、本体ケーシング６内に充満した後に尾筒内筒１２と尾筒外筒１３の間の空間の流路に流入して尾筒内筒１２を外壁面から対流冷却する。

尾筒内筒１２を冷却した後の高圧空気１０２ａは、尾筒外筒１３によって形成された抽気流路１４を通って抽気空気１０３ａとして本体ケーシング６外へと抽気される。

抽気流路１４を流下した抽気空気１０３ａは配管１０３を通じて増湿器４に流入するが、この増湿器４において抽気空気１０３ａに散水ノズル１０４から水分を添加されて加湿空気１０４ａとなる。

空気の加湿方法としては、濡壁塔或いは増湿塔による加湿が知られているが、何れを採用しても良い。

増湿器４の散水ノズル１０４によって水分を添加された加湿空気１０４ａは配管１０４を通じて再生熱交換器５に導かれる。

燃焼器２で発生した燃焼ガス１０６ａはタービン３を駆動した後にガスタービン排気ガス１０７ａ（タービン出口低圧燃焼ガス）として該タービン３から排出され、排ガス流路１０７を通じて再生熱交換器５に導かれる。

そしてこの再生熱交換器５において加湿空気１０４ａはガスタービン排気ガス１０７ａと熱交換することによりガスタービン排気ガス１０７ａから熱回収を行って加熱され、高温空気１０５ａとなって配管１０５を通じて燃焼器２の燃焼器ケーシング７の内部に供給される。

高温空気１０５ａを導く配管１０５に熱電対４１０を設置して流下する高温空気１０５ａの温度を計測し、その測定温度信号を制御装置４００に入力している。

燃焼器ケーシング７内に供給された空気は、円筒形状のフロースリーブ１１と円筒形状の燃焼器ライナ１０との間に形成された環状の空間を通って燃焼器２の頭部へ向かって流れ、燃焼器ライナ１０の対流冷却に使用される。

また、この加熱された高温空気１０５ａの一部は燃焼器ライナ１０に設けられた多数の冷却孔から燃焼器ライナ１０の内側へ流入して燃焼器ライナ１０のフィルム冷却に使用される。

また、残りの空気は、燃料ノズル９に設けられた空気孔から燃焼器ライナ１０の内部に燃焼用の空気として流入し、燃料ノズル９から噴出される燃料２０１ａ〜２０４ａの燃焼に使用され、燃焼器ライナ１０の内部の燃焼室で燃焼して高温の燃焼ガス１０６ａを発生させて尾筒内筒１２を通ってタービン３に動作流体として送られる。

タービン３を出た低圧のガスタービン排気ガス１０７aは、再生器５で熱回収された後に再生器５の下流側の排ガス流路１０７に順次配設された給水加熱器２２、排ガス再過熱器２３を夫々経た後に排気ガス１０９aとして排気塔２５から大気に放出される。

また、ガスタービン排気ガス１０７a中に含まれる水分は排ガス再過熱器２３の下流側に設置された水回収装置２４によって回収する。

燃料ノズル９から燃焼器２の燃焼室に供給される燃料２０１ａ〜２０４ａの燃料流量は後述する制御装置４００によって制御されている。

本実施例では、水回収の方式として水回収装置２４の内部に水を噴霧して、ガスタービン排気ガス１０７a中の水分を凝集、落下させて回収する方式となっている。

燃焼ガス１０６ａの動作流体によって駆動されたタービン３で得られた駆動力はシャフト２１を通じて圧縮機１及び発電機２０に伝えられる。駆動力の一部は圧縮機１において空気の加圧に用いられる。また、発電機２０で駆動力を電力に変換する。

水回収装置２４及び増湿器４の底部から夫々回収した水は、水回収装置２４へ配管３０１を通じて供給される噴霧水３０１a、あるいは増湿塔４の散水ノズル１０４へ配管３０２を通じて供給される加湿水３０２aとして再利用する。その際、回収水は水処理装置２６で不純物が取り除かれる。

図２は図１に示した本実施例の発電用の高湿分ガスタービンに用いる燃焼器２に設置された燃料ノズル９の詳細構造を示す部分拡大図である。

図２において、燃焼器カバー８に設置した燃料ノズル９には燃料を細かく配分して燃焼室に噴出させる多数の燃料小ノズル３１が取り付けられている。そして、この燃料ノズル９に取り付けた多数の燃料小ノズル３１の１本１本に対して、多数の空気孔３２の１本１本が対応するように多数の空気孔３２を備えた空気孔プレート３３が、多数の燃料小ノズル３１に近接して配置されるようにサポート３４を介して燃料ノズル９の燃焼室側に取り付けられた構造となっている。

燃料ノズル９に取り付けた燃料小ノズル３１と、この燃料小ノズル３１に対応して設置された空気孔プレート３３に形成した一対の空気孔３２とはほぼ同心状に配設されており、図２の右側に切り出した拡大図に示したように、多数設置した燃料小ノズル３１の軸心中央に沿って燃料噴流３５aを夫々形成し、これらの燃料噴流３５aの周囲には空気孔プレート３３の空気孔３２に流入する該燃料噴流３５aと同軸の空気の同軸噴流３６aを形成した状況となっている。

上記した燃料噴流３５aと、この燃料噴流３５aと同軸にした空気の同軸噴流３６aとを形成した構造を燃料ノズル９に採用することにより、空気孔プレート３３の空気孔３２内では燃料−空気は未混合であるために本実施例の高湿分ガスタービンの様に燃焼器２に供給される燃焼用の空気が高温であっても、燃料の自発火は発生せずに空気孔プレート３３を溶損するようなことなく、火炎を安定して形成する信頼性の高い燃焼器２を実現することができる。

また、上記したようにこのような小さな燃料噴流３５aと空気の同軸噴流３６aとの噴流を多数形成する燃料ノズル９を設置することにより、燃料と空気との界面が増加して両者の混合が促進するため、ＮＯｘの発生量を抑制することができる。

即ち、燃料ノズル９によって燃料噴流３５aと空気の同軸噴流３６aを多数形成することにより燃焼器の燃焼室内で燃料と空気との混合が均一になるので、燃焼室内で燃料が燃焼する燃焼温度を均一に出来る。

よって、燃焼室内で局所的に高温となる部分の発生が抑制されるので、燃焼時に発生するＮＯｘ濃度を低減させることが可能となる。

かくして、高湿分ガスタービンの燃焼器としてもと低ＮＯｘと安定燃焼を両立することが可能となる。

図２に示した燃焼器に設置される燃料ノズル９は図１に示した高湿分空気利用ガスタービンの燃焼器だけで無く、後述する図６に示したシンプルサイクルのガスタービンの予混合燃焼器にも適用可能である。

図３は図２に示した多数の空気孔３２を形成した空気孔プレート３３を燃焼器２の下流側から見た図である。本実施例においては、多数の空気孔３２（および、図示されていないが空気孔と対を成す燃料ノズル）は同心状で中心から外周側に向かって空気孔３２が環状に８列配置されている。

また、これらの環状に配列された空気孔３２は、空気孔プレート３３の中心から４列（第１列〜第４列）が第１群のＦ１燃焼部、第５列が第２群のＦ２燃焼部、その外側の２列（第６、７列）が第３群のＦ３燃焼部、最外周（第８列）が第４群のＦ４燃焼部と、夫々各燃焼部Ｆ１〜Ｆ４に対応するように群分けされている。

そして、図２に示した様に、Ｆ１〜Ｆ４の４群に群分けされた各燃焼部の群ごとに燃料ノズル９の燃料ノズルヘッダ３０に設けたフランジ４１〜４４を介して燃料系統２０１〜２０４通じて導かれたＦ１〜Ｆ４燃料２０１a〜２０４aが多数の燃料小ノズル３１に夫々供給される様に構成されている。

即ち、第１列〜第４列のＦ１燃焼部の群にはＦ１燃料制御弁２１１を備えた燃料系統２０１及びフランジ４１を通じて燃料２００aから配分されたＦ１燃料２０１aが供給され、燃料ノズル９に形成された区分された燃料ヘッダ３０を介して燃料ノズル９に設けた燃料ノズル３０の先端からこのＦ１燃料２０１aを、空気孔プレート３３の空気孔３２を通じて燃焼器２の燃焼器ライナ１０の内側の燃焼室に供給してＦ１燃焼部を形成させる。

第５列のＦ２燃焼部の群にはＦ２燃料制御弁２１２を備えた燃料系統２０２及びフランジ４２を通じて燃料２００aから配分されたＦ２燃料２０２aが供給され、燃料ノズル９に形成された区分された燃料ヘッダ３０を介して燃料ノズル９に設けた燃料ノズル３０の先端からこのＦ１燃料２０２aを、空気孔プレート３３の空気孔３２を通じて燃焼器２の燃焼器ライナ１０の内側の燃焼室に供給してＦ２燃焼部を形成させる。

同様に、第６列〜第７列のＦ３燃焼部の群にはＦ３燃料制御弁２１３を備えた燃料系統２０３及びフランジ４３（図２にフランジ４３は図示されず）を通じて燃料２００aから配分されたＦ３燃料２０３aが供給され、燃料ノズル９に形成された区分された燃料ヘッダ３０を介して燃料ノズル９に設けた燃料ノズル３０の先端からこのＦ３燃料２０３aを、空気孔プレート３３の空気孔３２を通じて燃焼器２の燃焼器ライナ１０の内側の燃焼室に供給してＦ３燃焼部を形成させる。

そして、最外周の第８列のＦ４燃焼部の群にはＦ４燃料制御弁２１４を備えた燃料系統２０４及びフランジ４４を通じて燃料２００aから配分されたＦ４燃料２０４aが供給され、燃料ノズル９に形成された区分された燃料ヘッダ３０を介して燃料ノズル９に設けた燃料ノズル３０の先端からこのＦ４燃料２０４aを、空気孔プレート３３の空気孔３２を通じて燃焼器２の燃焼器ライナ１０の内側の燃焼室に供給してＦ４燃焼部を形成させる。

尚、燃料２００aを供給する燃料系統２００には燃料遮断弁２１０が設置されている。

上記したＦ１〜Ｆ４燃料２０１a〜２０４aを供給する燃料系統２０１〜２０４をＦ１〜Ｆ４燃焼部の群に対応させて群分けする構造により、ガスタービンの燃料流量変化に対して燃焼器２に燃料供給する燃料ノズル９に設けられた燃料小ノズル３１の本数を段階的に変化させる燃料ステージングが可能となり、この結果、ガスタービン部分負荷運転時の燃焼安定性が高まるとともに低ＮＯｘ化が可能となる。

本実施例の高湿分ガスタービンの燃焼器２を構成している燃料ノズル９の燃料小ノズル３１に対応して設けられた燃焼器カバー８に取り付けられた空気孔プレート３３は、図３に示したように空気孔プレート３３に形成した多数の空気孔３２の形状を、中心から４列（第１列〜第４列）のＦ１燃焼部に対応した空気孔３２がピッチ円接線方向に角度（図３の上部に示す部分図で角度α°、本実施例ではα＝１５°）を持った斜め穴に形成している。

このように、空気孔３２をピッチ円接線方向に角度α°を持つ斜め穴に形成することで、空気孔３２を通じて燃料噴流３５aと共に燃焼器２の内部に噴出する空気の同軸噴流３６aの空気流全体に旋回をかけ、この旋回によって生じる循環流によって燃焼器２の内部のＦ１燃焼部で燃料が燃焼して生じた火炎を安定化させている。

また、Ｆ１燃焼部の周囲にあるＦ２〜Ｆ４の各燃焼部では、燃焼器２の内部の軸心中央のＦ１燃焼部で生じた燃焼熱によって火炎が安定化される。

次に、本実施例の高湿分ガスタービンの燃焼器２に設置した燃料ノズル９の空気孔プレート３３におけるメタル温度の計測方法について説明する。

燃焼器２の燃料ノズル９に設けた空気孔プレート３３には、図３に示すように燃焼器２の燃焼室に形成されるＦ１〜Ｆ４の燃焼部に対応する空気孔プレート３３の場所に熱電対４１１〜４１４が夫々取り付けられており、これらの各熱電対４１１〜４１４で検出されるメタル温度によって、燃焼器２の内部の燃焼室に形成されるＦ１〜Ｆ４の各燃焼部での燃焼状態を間接的に観測している。

即ち、燃焼室のＦ１燃焼部に面した空気孔プレート３３の中心には熱電対４１１が、このＦ１燃焼部の外周側となるＦ２燃焼部に面した空気孔プレート３３には熱電対４１２が、このＦ２燃焼部の外周側となるＦ３燃焼部に面した空気孔プレート３３には熱電対４１３が、このＦ３燃焼部の外周の最外周側となるＦ４燃焼部に面した空気孔プレート３３には熱電対４１４が、夫々設置されている。

前記した各熱電対４１１〜４１４を設置する空気孔プレート３３には図３の右側に部分断面図を示したように、空気流上流側から直径１．２ｍｍの熱電対挿入孔４１５が開けられており、空気流下流側すなわち燃焼室側は端面から２ｍｍの位置にまで熱電対挿入孔４１５が達している。

このような熱電対挿入孔４１５は、空気流上流側から空気孔プレート３３をドリルで加工することもできるほか、貫通孔を加工した後に、空気流下流側を溶接によって閉止することによっても加工可能である。

この熱電対挿入孔４１５に空気流上流側から直径１ｍｍの熱電対４１１〜４１４を夫々挿入し、熱電対４１１〜４１４の先端が熱電対挿入孔４１５の最深部に達するようにした後に固定する。

熱電対挿入孔４１５の内部に設置された熱電対４１１〜４１４の先端は燃焼室側の端面から２ｍｍの位置まで達することになり、且つ、その先端が空気孔プレート３３のメタルに接しているため、熱電対４１１〜４１４で検出される温度は燃焼室に面した空気孔プレート３３の下流端面のメタル温度に近い温度を示す。

また、熱電対４１１〜４１４は燃焼室内のＦ１〜Ｆ４各燃焼部に形成される高温の燃焼ガスに直面することは無いため、溶損等の恐れも無く、高い信頼性が確保できる。各熱電対４１１〜４１４には空気孔プレート３３の上流面、サポート３４、エンドカバー８等を伝って配線し、燃焼器２外へ検出した温度信号を取り出して制御装置４００に入力出来るようにして温度を計測している。

空気孔プレート３３の中央中心では、Ｆ１燃焼部の火炎の燃焼ガスによる加熱と、空気孔プレート３３に形成した空気孔３２から供給される燃焼用空気３６による冷却との温度バランスから決まるメタル温度となり、熱電対４１１によってそのメタル温度が測定される。

したがって、熱電対４１１によってＦ１燃焼部の燃焼ガス温度を間接的に測定することが可能となる。同様にＦ２〜Ｆ４燃焼部の火炎の燃焼ガス温度は熱電対４１２〜４１４によって間接的に夫々測定することができる。

また、Ｆ１〜Ｆ４燃焼部の火炎が不安定となって浮き上がった状態になった場合には、燃焼ガスによる加熱量が減少するので、燃焼ガス温度の低下以上に各熱電対４１２〜４１４で検出される温度が急激に低下することになるので、熱電対４１１〜４１４を検出することによって燃焼室内のＦ１〜Ｆ４各燃焼部における火炎の安定性を間接的に観測することができる。

次に、本実施例の高湿分ガスタービンの燃焼器２の運転方法について説明する。

まず、燃焼器２に供給する燃料流量が比較的少ない燃焼器２の着火時および昇速時は、燃焼室の中央のＦ１燃焼部のみで運転（すなわち燃料系統２０１のみにＦ１燃料２０１aを供給）して流量制御弁２１１により燃料流量を制御して、ガスタービンを定格回転数の無負荷条件付近まで昇速させる。

このガスタービンの起動から定格回転速度まで昇速させるＦ１単独燃焼を今後の説明では１／４モードと呼ぶことにする。

次にそれ以降の負荷上昇過程では、Ｆ１燃焼部の外周側のＦ２燃焼部に燃料を投入して、Ｆ１＋Ｆ２燃焼で運転する低負荷運転を行う。

即ち、燃料系統２０１にＦ１燃料２０１a及び燃料系統２０２にＦ２燃料２０２aを供給し、流量制御弁２１１及び２１２により各燃料流量を夫々制御して低負荷運転する。このＦ１＋Ｆ２燃焼を２／４モードと呼ぶ。

次に、さらにＦ２燃焼部の外周側のＦ３燃焼部に燃料を投入して、Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３燃焼で運転する。

即ち、燃料系統２０１にＦ１燃料２０１a、燃料系統２０２にＦ２燃料２０２a、燃料系統２０３にＦ３燃料２０３aを供給し、流量制御弁２１１、２１２及び２１３により各燃料流量を夫々制御して中高負荷運転を行う。このＦ１＋Ｆ２＋Ｆ３に着火した燃焼状態を３／４モードと呼ぶ。

ここまでの過程では高湿分ガスタービンの増湿器４には水分が添加されていない（図４ａの上段の発電量でＡとして示した範囲）。

またこの間の燃料流量の増加は、ガスタービンの起動計画に定められた負荷上昇率に従ってガスタービン発電量が増加する様に、流量制御弁２１１、２１２及び２１３を操作することによって燃料流量が制御される。

また、燃料系統２０１、２０２、２０３の各系統に供給される燃料流量配分は、図５に示した制御装置４００に設けられた燃料比率設定器４０３に基づいて、燃焼器２の燃焼室に形成されるＦ１〜Ｆ３の各燃焼部でＦ１燃料２０１a、Ｆ２燃料２０２a及びＦ３燃料２０３aの燃焼が安定し且つ生成するＮＯｘが最小となる様に定められた比率で燃料が供給される。

本実施例においては、この３／４モードで増湿器４への水分添加を開始する（図４ａの上段の発電量でＢとして示した範囲）。増湿器給水弁３１１を所定の速度で開き、弁開度に応じて給水流量が増加し、増湿器給水量３０１または給水弁３１１の開度が所定の量に達し、増湿器４の散水ノズル１０４から給水を抽気空気１０３ａに散布して水分を添加した加湿空気１０４ａを生成して高湿分ガスタービンの起動が完了する。

例えばこの高湿分ガスタービンの起動終了後の増湿器４への給水量は、給水加熱器２２を経た給水加熱器の出口でのガスタービン排気ガス１０７aの温度が所定の温度になる様に制御することができる。その後は、ガスタービンの負荷の増減に合わせて燃料流量が増減することで負荷追従する（図４ａの上段の発電量Ｃとして示した範囲）。

高湿分ガスタービンの高負荷運転時においては、さらにＦ３燃焼部の外周側のＦ４燃焼部に燃料を投入して、Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３＋Ｆ４燃焼で運転するが、主として最外周のＦ４燃焼部に燃料系統２０４を通じて燃料を投入してＦ４燃料２０４aの燃料流量を増減させてフルロードまで対応する。

このＦ１＋Ｆ２＋Ｆ３＋Ｆ４に着火した燃焼状態を４／４モードと呼ぶ。

この場合、Ｆ４燃料２０４aと燃焼用の空気の混合気は、燃焼器２の燃焼室にてＦ１〜Ｆ３の燃焼部の燃焼ガスと混合して高温になるため、Ｆ４燃焼部にて燃料の酸化反応が進行して高い燃焼効率を得ることができる。

またＦ４燃焼部で燃焼完結後の燃焼ガスの温度をＮＯｘ生成が顕著となる温度（おおよそ１６００℃）以下になるようＦ４燃焼部に供給される空気配分が設定されているため、Ｆ４燃焼部からのＮＯｘ発生を殆ど零、または非常に少ないＮＯｘ濃度とする燃焼が可能となる。

また投入したＦ４燃料２０４aがごくわずかでも燃焼反応が完結するため、連続的な燃料切り換えが可能となり、運用性が向上する。

ところで、図４によって本発明の本実施例の高湿分ガスタービンの運転方法による各種の状態量の状況の変化を比較例も参照して説明する。

本発明を適用した高湿分ガスタービンの実施例による運転方法によれば、図４ｃに示すように、燃焼器２の燃焼室に形成されるＦ１燃焼部に面した空気孔プレート３３のメタル温度４１１と燃焼器に供給される燃焼用空気１０５ａの燃焼用空気温度４１０との温度差が図４ｃの中点線で示すしきい値を下回った場合、本実施例の制御装置４００に運転方法によって燃焼器２のＦ１燃焼部に供給されるの給さＦ１燃料２０１aの流量を増加させてＦ１燃焼部の火炎の浮き上がりを抑制し、Ｆ１燃焼部の燃焼安定性を確保する。本発明を適用した高湿分ガスタービンの実施例による運転方法によれば、図４ｃに示すように、燃焼器２の燃焼室に形成されるＦ１燃焼部に面した空気孔プレート３３のメタル温度４１１と燃焼器に供給される燃焼用空気１０５ａの燃焼用空気温度４１０との温度差が図４ｃの中点線で示すしきい値を下回った場合、本実施例の制御装置４００に運転方法によって燃焼器２のＦ１燃焼部に供給されるＦ１燃料２０１aの流量を増加させてＦ１燃焼部の火炎の浮き上がりを抑制し、Ｆ１燃焼部の燃焼安定性を確保する。

Ｆ２燃焼部及びＦ３燃焼部の火炎はＦ１燃焼部の高温の燃焼ガスによって保炎されているため、燃焼器２の全体の燃焼安定性が確保できる。

ところで図４aに示したように、高湿分ガスタービンでは中段の水分添加量は、増湿塔４への水分添加開始によって水分添加量を増加させると、添加した水分が蒸発してガス化した容量だけタービン３を駆動する動作流体が増えるので、上段の発電量のグラフに示したように、タービン出力が発電量Ａから発電量Ｂへと増加する。

発電機２０によって発電する発電量増加率を所定の速度に維持するためには、下段の燃料流量のグラフに示したように、制御装置によって燃焼器２に供給される燃料の燃料流量が調節されて一時的に燃料流量を減少するので、この結果、比較例の図４ｂに示したように、燃焼器２の燃焼室で燃料を燃焼させて発生する燃焼ガス温度が低下して燃焼器２における燃焼安定性が低下する。

詳細に説明すると、図４ｂは図４aの増湿塔４へ水分添加量を増加させた増湿過程（図４aの上段で発電量Ａから発電量Ｂへと増加した範囲）における図４aの下段に示した一時的に燃料流量を減少させた燃料流量のグラフを拡大して示した部分拡大図と、この増湿過程における燃料流量に基づいて燃料比率を設定したＦ１燃料及びＦ２燃料の各燃料流量の減少状況を示した拡大図と、燃焼器２の燃焼室に形成されるＦ１燃焼部に面した燃料ノズル９の空気孔プレート３３のメタル温度を示すＦ１メタル温度４１１aの温度変化図と、燃焼用空気温度計４１０によって検出した燃焼用空気温度４１０aの温度変化図を、図４ｃとの比較例として示したものである。

図４ｂに示した比較例では増湿に伴う燃焼不安定性によって燃焼器２の燃焼室に形成されるＦ１燃焼部の火炎が空気孔プレート３３の端面から浮き上がる現象が生じるため、空気孔プレート３３の中心に設置した熱電対４１１で検出するＦ１燃焼部の燃焼温度を近似したＦ１メタル温度４１１aは、Ｆ１燃料流量の低下以上に急激に低下して燃焼用空気の温度４１０aに近い温度となってしまう。

このようにＦ１燃焼部の火炎が空気孔プレート３３の端面から浮き上がった状態で高湿分ガスタービンの燃焼器２の運転を継続すると、燃焼不安定性に起因して燃焼器全体が消炎に至る可能性もあり好ましくない。

これに対して本発明を適用した高湿分ガスタービンの実施例の運転方法においては、図４ｃに示すように、Ｆ１燃焼部に対応した空気孔プレート３３の中心に設置した熱電対４１１で検出するのＦ１メタル温度４１１aと、燃焼用空気温度計４１０によって検出した燃焼用空気温度４１０aとの温度差が、図４ｃの下段の温度に、破線で示した閾値を下回った場合には、本実施例の制御装置４００に備えたＦ１燃料設定器４２１によって演算した燃料流量補正値のＦ１燃料流量に基づいてＦ１燃料制御弁２１１を操作してＦ１燃焼部に供給するＦ１燃料２０１aの流量を増加させ、この供給燃料の増加によってＦ１火炎の浮き上がりを抑制してＦ１燃焼部の燃焼安定性を確保する。
図４ｃの中段の群内燃料流量では、Ｆ１メタル温度４１１aが閾値まで低下した以降は丁度、Ｆ１燃料流量が増加に転じ、下段の温度でもＦ１メタル温度４１１aが閾値を上回る状態に転じた状況を示している。

また、Ｆ２、Ｆ３の各燃焼部の火炎はＦ１燃焼部の高温の燃焼ガスによって保炎されているため、燃焼器全体の燃焼安定性が確保できる。

図５は本実施例による高湿分ガスタービンにおける負荷に対する燃料の制御を行っている制御装置の制御ブロック４００の詳細構成を示したものである。

図５において、制御装置４００には、予め定められた高湿分ガスタービンに対する発電量増加率に従うように与えられた負荷指令ＭＷＤと、発電機２０の出力である実際の発電量ＭＷとを入力して両者の発電量の差を演算する減算器４０１を備え、この減算器４０１で求めた発電量の差に基づいて前記の発電量の差を無くすために必要な燃料流量を演算する燃料流量演算器４０２を備えている。

制御装置４００には燃料比率設定器４０３が設けられており、燃料流量演算器４０２で演算された燃料流量の演算値に基づいてこの燃料比率設定器４０３によって燃焼器２の内部に形成させるＦ１〜Ｆ４の各燃焼部に供給する燃料となるＦ１燃料２０１a、Ｆ２燃料２０２a、Ｆ３燃料２０３a及びＦ４燃料２０４aの各燃料流量を配分する燃料比率を演算する。

そして、この燃料比率設定器４０３によって演算された燃料比率の演算値に基づいて、例えばＦ１燃料２０１aの燃料流量はＦ１燃料設定器４２１によって燃料系統２０１に設置したＦ１燃料制御弁２１１に対して指令信号を出力してＦ１燃料制御弁２１１の開度を制御するように構成されている。

更に、このＦ１燃料設定器４２１では、供給するＦ１燃料２０１aの燃料流量を温度変化に応じて正確に補正するために、燃焼器２に供給される燃焼用の空気温度を配管１０５に設置した燃焼用空気温度計４１０によって検出した燃焼用空気温度４１０aと、燃料ノズル９の空気孔プレート３３のメタル温度をＦ１燃焼部に対応した燃焼部メタル温度を測定する熱電対４１１によって検出したメタル温度４１１aを入力させて、Ｆ１燃料設定器４２１によってこれらの検出温度の温度差に基づいた燃料流量補正値を演算するように構成されている。

そして、このＦ１燃料設定器４２１からは演算した前記燃料流量補正値を加算した指令信号をＦ１燃料制御弁２１１に出力して燃料系統２０１を通じて燃焼器２の燃焼室に形成されるＦ１燃焼部に供給されるＦ１燃料２０１aの燃料流量を正確に制御するように構成している。

メタル温度が燃焼用空気温度４１０aよりも高くなる場合には、上限温度の閾値を設定しておいてメタル温度の上限の閾値を超えた場合にマイナスの燃料流量補正値を出力して、Ｆ１燃料２０１aの燃料流量を減少させるようにすれば良い。

以下同様に、Ｆ２燃料設定器４２２、Ｆ３燃料設定器４２３、及びＦ４燃料設定器４２４においても、Ｆ２燃料２０２a、Ｆ３燃料２０３a、及びＦ４燃料２０４aの各燃料流量を温度変化に応じて正確に補正するために、Ｆ２、Ｆ３，Ｆ４の各燃焼部に対応した燃焼部メタル温度を測定する熱電対４１２、４１３、４１４によって検出したメタル温度４１２a、４１３a、４１４aと、燃焼用空気温度４１０aとの温度差に基づいた燃料流量補正値を夫々演算し、これらの各燃料流量補正値を加算した指令信号をＦ２燃料制御弁２１２、Ｆ３燃料制御弁２１３、及びＦ４燃料制御弁２１４に夫々出力してＦ２燃焼部、Ｆ３燃焼部、及びＦ４燃焼部に供給されるＦ２燃料２０２a、Ｆ３燃料２０３a、及びＦ４燃料２０４aの各燃料流量を正確に制御するように構成している。

本発明の実施例によれば、燃焼器のＮＯｘ生成および火炎安定性に影響する種々の条件変化に対しても、高湿分空気利用ガスタービン火炎を安定に維持しつつ、ＮＯｘ発生量を低レベルに抑制することを可能にした高湿分空気利用ガスタービンが実現できる。

次に本発明を適用した他の実施例であるガスタービンについて説明する。図６は本発明の他の実施例であるシンプルサイクルのガスタービンの概略構成を示すものであり、図７は本実施例のガスタービンの運転方法を示すものである。

本実施例の図６は先の実施例の高湿分ガスタービンの図１に対応し、図７は先の実施例の図４に対応するものであるが、本実施例のガスタービンが先の実施例の高湿分ガスタービンの構成と共通している部分の説明は省略し、相違している部分についてのみ説明を行う。

図６に示した実施例のガスタービンが図１に示した先の実施例の高湿分ガスタービンと異なる大きな点は、ガスタービンがシンプルサイクルであることにある。

本実施例のガスタービンでは、高湿分ガスタービンの先の実施例に比較して、加湿する増湿器４や再生熱交換器５が無いため、圧縮機１で圧縮されて燃焼器２に供給される燃焼用空気１０２aは実施例１の場合に比べると低温・低湿分である。

そのため、高温条件による燃料の自発火や、高湿分雰囲気による火炎の不安定が生じにくいため、燃焼器として図６に示したような予混合燃焼器２ａを用いて低ＮＯｘ化を図ることができる。

図６及び図７に示した本実施例の予混合燃焼器２ａでは、燃焼器ライナ１０の内部に形成される燃焼室に燃料ノズル９から供給される燃料流体は、二重旋回流となるように燃料ノズル９を中央の中心側に配置され、旋回羽根５２１を備えた中央燃料ノズル９ａと、この中央燃料ノズル９ａの外周側に配置され、旋回羽根５２２を備えた周辺燃料ノズル９ｂとから構成している。

そして、この中央燃料ノズル９ａに設けた旋回羽根５２１の旋回角度を周辺燃料ノズル９ｂの旋回羽根５２２の旋回角度より大きな角度となるように形成することによって、中央燃料ノズル９ａから供給された大きな旋回流を生じた燃料が燃焼して燃焼室の軸心側に形成される火炎の保炎性を確保するようにしている。

即ち、予混合燃焼器２ａの燃焼室の軸心側に形成される中央燃焼部Ｆｃに燃料制御弁５１１を備えた燃料系統５０１を通じて導かれ、中央燃料ノズル９ａから燃焼室に噴出する燃料５０１ａに大きな旋回角度を有する旋回羽根５２１によって強い旋回流をかけることによって、燃焼室の軸心側の中央燃焼部Ｆｃに形成される火炎の安定性を図っている。

上記したような燃料ノズル９の構成を採用することにより、大きな旋回流を生じさせる旋回羽根５２１を有する中央燃料ノズル９ａから燃焼室に噴出された燃料は中央燃料ノズル９ａの下流側で大きな旋回流によって大きなよどみを生じさせ、燃焼室内に形成される循環流が燃焼室の軸心側に形成される中央燃焼部Ｆｃに戻って来るようになるので中央燃焼部Ｆｃで火炎が十分に形成され、火炎の安定性が確保される。

また、中央燃焼部Ｆｃの外周側に形成される周囲燃焼部Ｆｓには燃料制御弁５１２を備えた燃料系統５０２を通じて導かれ、周辺燃料ノズル９ｂから燃焼室に噴出す燃料５０２ａに旋回羽根５２２によって弱い旋回流をかけるようにして、燃焼室の軸心側の中央燃焼部Ｆｃで生じる火炎によって周囲燃焼部Ｆｓの保炎をおこなっている。

本実施例の予混合燃焼器２ａにおいても、燃焼室の中央燃焼部Ｆｃに面した予混合燃焼器２ａの燃料ノズル９には、メタル温度を計測する熱電対４１１が中央燃焼部Ｆｃの中心軸上の燃料ノズル９の中央燃料ノズル９ａに取り付けられている。

また、燃焼用空気１０２ａの温度を計測する温度計４１０が圧縮機１から予混合燃焼器２ａに燃焼用空気１０２ａを導く空気流路に設けられている。

そして熱電対４１１で検出した燃焼室の中央燃焼部Ｆｃに対応した中央燃料ノズル９ａのメタル温度４１１ａと、温度計４１０で検出した燃焼用空気１０２ａの空気温度４１０ａの検出値は制御装置４００の入力信号となり、制御装置４００によってメタル温度４１１ａと空気温度４１０ａとの温度差に基づいて演算された最適な燃料流量の指令信号によって、燃料系統５０１に設けた燃料制御弁５１１を調節して燃料５０１ａの供給量を制御している。

同様に、制御装置４００によってメタル温度４１１ａと空気温度４１０ａとの温度差に基づいて演算した最適な燃料流量の指令信号によって、燃料系統５０２に設けた燃料制御弁５１２を調節して燃料５０２ａの供給量を制御している。

本実施例のシンプルサイクルのガスタービンにおいては、予混合燃焼器２ａの燃焼室で形成されるＮＯｘ生成および火炎安定性に影響する条件変化として、先の実施例である高湿分ガスタービンに備えられた増湿器４への増湿開始時のように大きな条件変化は生じないものの、年間を通しての気候の変化や、圧縮機等の機器特性の経年変化によって、燃焼用空気の流量や温度、湿度が変化して、予混合燃焼器２ａの燃焼室で生じるＮＯｘ生成および火炎安定性に影響する。

例えば、ガスタービンの負荷変動に追従して予混合燃焼器２ａが運転されている際に、図７の上段に示したような発電量の減少があった場合、この発電量の減少に対応して燃料流量も減少するため、予混合燃焼器２ａの燃焼室に形成される燃焼部の燃焼ガス温度が低下して燃焼安定性が低下する。

通常はこのような負荷変化に対しても燃焼不安定が発生しない燃料条件となるように予混合燃焼器２ａが調整されているが、前述の年間を通しての気候の変化や、圧縮機等の機器特性の経年変化に起因する条件変化によって、当初調整時に想定した以上に燃焼安定性が低下することが考えられる。

そこで、本発明を適用したシンプルサイクルのガスタービンの実施例による運転方法によれば、図７に示すように、予混合燃焼器２の燃焼室に形成される中央燃焼部Ｆｃに面した燃料ノズル９のメタル温度４１１ａと予混合燃焼器に供給される燃焼用空気１０５ａの燃焼用空気温度４１０ａとの温度差が図７の中点線で示す閾値を下回った場合には、本実施例の制御装置４００によって演算した燃料流量補正値によって燃料制御弁５１１を調節して燃焼器２の中央燃焼部Ｆｃに供給される燃料５０１aの流量を増加させ、中央燃焼部Ｆｃの火炎の浮き上がりを抑制して、中央燃焼部Ｆｃの燃焼安定性を確保する。

中央燃焼部Ｆｃの周辺の周辺燃焼部Ｆｓの火炎は中央燃焼部Ｆｃの高温の燃焼ガスによって保炎されているため、予混合燃焼器２の全体の燃焼安定性が確保できる。
図７の中段の群内燃料流量では、燃料ノズル９のメタル温度４１１aが閾値まで低下した以降は丁度、燃料５０１aの燃料流量が増加に転じ、下段の温度でも燃料ノズル９のメタル温度４１１aが閾値を上回る状態に転じた状況を示している。

かくして、前述のような長いスパンでの負荷変化等の条件変化に対しても、本実施例のシンプルサイクルのガスタービンの実施例による運転方法によれば、予混合燃焼器２ａを低ＮＯｘかつ安定に制御する手段が得られる。

本実施例においては、シンプルサイクルガスタービンに本発明を適用する際の燃焼器として、予混合燃焼器を例に説明したが、燃料と空気を多数の小径の同軸噴流として燃焼室に噴出する構造の燃焼器を用いても、同様の効果が得られる。

本発明の実施例によれば、燃焼器のＮＯｘ生成および火炎安定性に影響する種々の条件変化に対しても、高湿分空気利用ガスタービン火炎を安定に維持しつつ、ＮＯｘ発生量を低レベルに抑制することを可能にしたガスタービンが実現できる。

本発明は高効率ガスタービンとして発電用として利用できるほか、熱と電力を併給可能なコジェネレーションシステム、ポンプ・圧縮機等の機械駆動用エンジンのガスタービン、並びにガスタービンに用いられる燃焼器に夫々適用可能である。

本発明の一実施例である高湿分空気利用ガスタービンを示すシステム構成図。図１の実施例の高湿分空気利用ガスタービンに設置されている低ＮＯｘ燃焼器の燃料ノズルの構成を示す詳細図。図２の実施例の高湿分空気利用ガスタービンに設置されている低ＮＯｘ燃焼器の燃料ノズルを燃焼室から見た燃料ノズルの詳細図。図１の実施例の高湿分空気利用ガスタービンにおける運転方法を示す運転状況図。図１の実施例の高湿分空気利用ガスタービンにおける制御装置の詳細構成を示す制御ブロック図。本発明の他の実施例であるガスタービンを表す概略システム構成図。図６の他の実施例のガスタービンにおける運転方法を示す運転状況図。

符号の説明

１：圧縮機、２：燃焼器、２ａ：予混合燃焼器３：タービン、４：増湿器、５：再生器、６：本体ケーシング、７：燃焼器ケーシング、８：燃焼器カバー、９：燃料ノズル、９ａ：中央燃料ノズル、９ｂ：周辺燃料ノズル、１０：燃焼器ライナ、１１：フロースリーブ、１２：燃焼器尾筒内筒、１３：尾筒外筒、１４：尾筒外筒に設けた再生器への抽気流路、１５：抽気配管、１６：隔壁部材、１７：圧縮機吸気ケーシング、２０：発電機、２１：シャフト、２２：給水加熱器、２３：排ガス再過熱器、２４：水回収装置、２５：排気塔、２６：水処理装置、２７：吸気噴霧装置、３０：燃料ノズルヘッダ、３１：燃料小ノズル、３２：空気孔、３３：空気孔プレート、３４：サポート、３５：燃料噴流、３６：空気噴流、４１：Ｆ１燃料フランジ、４２：Ｆ２燃料フランジ、４４：Ｆ４燃料フランジ、１００a：吸い込み空気、１０３、１０５：配管、１０４：散水ノズル、１０１a：水噴霧後の空気、１０２a：高圧空気、１０３a：抽気空気、１０４a：加湿空気、１０５a：高温空気、１０６a：燃焼ガス、１０７：排ガス流路、１０７a：ガスタービン排気ガス、１０９a：排気ガス、２００a：燃料、２０１a：Ｆ１燃料、２０２a：Ｆ２燃料、２０３a：Ｆ３燃料、２０４a：Ｆ４燃料、２１０：燃料遮断弁、２０１〜２０４：燃料系統、２１１：Ｆ１燃料制御弁、２１２：Ｆ２燃料制御弁、２１３：Ｆ３燃料制御弁、２１４：Ｆ４燃料制御弁、３００：圧縮機吸気噴霧水、３０１：増湿装置給水、３１０：圧縮機吸気噴霧水量制御弁、３１１：増湿装置給水量制御弁、４００：制御装置、４０１：減算器、４０２：燃料流量演算器、４０３：燃料比率設定器、４１０：燃焼用空気温度計、４１１〜４１４：熱電対、４２１：Ｆ１燃料設定器、４２２：Ｆ２燃料設定器、４２３：Ｆ３燃料設定器、４２４：Ｆ４燃料設定器、Ｆ１〜Ｆ４：燃焼部、Ｆｃ：中央燃焼部、Ｆｓ：周囲燃焼部、５０１〜５０３：燃料系統、５０１ａ〜５０３ａ：燃料、５１１〜５１３：燃料制御弁。

Claims

空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気と燃料を燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で燃焼した燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備えたガスタービンにおいて、
燃焼器の燃料ノズルには燃料を供給する複数の燃料系統を配設し、燃焼器の燃料ノズルには供給された燃料を燃焼室に噴出させる多数の燃料小ノズルと、これらの燃料小ノズルに夫々対応して空気を燃焼器に噴出させる空気孔が多数形成され、該空気孔は中心から外周側に向かって環状で複数列に配置された空気孔プレートを前記燃料小ノズルに近接させて燃焼器の燃焼室に面するように夫々設置し、燃料ノズルに設けた空気孔プレートの少なくとも中心側に配置された複数の空気孔は噴出する空気に旋回流をかけるように形成すると共に、この空気孔より外周側に配置された複数の空気孔を前記燃料小ノズルと同心状に形成して、
前記燃焼器の着火時及びガスタービンの昇速時は前記中央側の燃料小ノズルのみに燃料を供給し、低負荷運転から定格負荷運転にかけて中央側から最外周側の燃料小ノズルに向かって連続的に燃料を供給するように構成され、
この空気孔プレートにメタル温度を検出する第１の温度検出器を設置し、圧縮機から燃焼器に空気を供給する流路に空気温度を検出する第２の温度検出器を設置し、前記第１の温度検出器と第２の温度検出器で検出した温度差に基づいて燃焼器の燃料ノズルに供給する燃料流量値を演算する制御装置を備え、前記制御装置は前記温度差が設定したしきい値を下回った場合に前記複数の燃料系統を通じて前記中央側の燃料小ノズルに供給される燃料の流量を増加させる制御を行うように構成したことを特徴とするガスタービン。
空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気と燃料を燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で燃焼した燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備えたガスタービンにおいて、
燃焼器の燃料ノズルには燃料を供給する複数の燃料系統を配設し、燃焼器の燃料ノズルには燃料系統から供給された燃料を燃焼室に噴出させると共に、燃焼室に供給する空気に旋回流を生じさせる旋回羽根を有する中央燃料ノズルと、この中央燃料ノズルの外周側に配置されて他の燃料系統から供給された燃料を空気と共に燃焼室に噴出させる周辺燃料ノズルとを備えさせ、
燃料ノズルの中央燃料ノズルの位置にメタル温度を検出する第１の温度検出器を設置し、圧縮機から燃焼器に空気を供給する流路には空気温度を検出する第２の温度検出器を設置し、前記第１の温度検出器と第２の温度検出器で検出した温度差に基づいて燃焼器の燃料ノズルに供給する燃料流量値を演算する制御装置を備え、前記制御装置は前記温度差が設定したしきい値を下回った場合に前記複数の燃料系統を通じて前記中央燃料ノズルに供給される燃料の流量を増加させる制御を行うように構成したことを特徴とするガスタービン。
空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気を加湿する増湿装置と、この増湿装置で加湿された空気と燃料を燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で燃焼した燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備えた高湿分空気利用ガスタービンにおいて、
燃焼器の燃料ノズルには燃料を供給する複数の燃料系統を配設し、燃焼器の燃料ノズルには供給された燃料を燃焼室に噴出させる多数の燃料小ノズルと、これらの燃料小ノズルに夫々対応して空気を燃焼器に噴出させる空気孔が多数形成され、該空気孔は中心から外周側に向かって環状で複数列に配置された空気孔プレートを前記燃料小ノズルに近接させて燃焼器の燃焼室に面するように夫々設置し、燃料ノズルに設けた空気孔プレートの少なくとも中心側に配置された複数の空気孔は噴出する空気に旋回流をかけるように形成すると共に、この空気孔より外周側に配置された複数の空気孔を前記燃料小ノズルと同心状に形成して、
前記燃焼器の着火時及びガスタービンの昇速時は前記中央側の燃料小ノズルのみに燃料を供給し、低負荷運転から定格負荷運転にかけて中央側から最外周側の燃料小ノズルに向かって連続的に燃料を供給するように構成され、
この空気孔プレートにメタル温度を検出する第１の温度検出器を設置し、圧縮機から燃焼器に空気を供給する流路に空気温度を検出する第２の温度検出器を設置し、前記第１の温度検出器と第２の温度検出器で検出した温度差に基づいて燃焼器の燃料ノズルに供給する燃料流量値を演算する制御装置を備え、前記制御装置は前記温度差が設定したしきい値を下回った場合に前記複数の燃料系統を通じて前記中央側の燃料小ノズルに供給される燃料の流量を増加させる制御を行うように構成したことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
空気孔プレートに環状に配置された多数の空気孔のうち、空気孔プレートの中央の中心近傍の複数の空気孔は空気に旋回流を生じさせるように空気孔プレートに傾斜させて該空気孔を形成していることを特徴とするガスタービン。
請求項２に記載のガスタービンにおいて、
前記周辺燃料ノズルは燃焼室に供給する空気に旋回流を生じさせる別の旋回羽根を有しており、前記中央燃料ノズルの旋回羽根の旋回角度は前記周辺燃料ノズルの別の旋回羽根の旋回角度よりも大きな角度となるように形成されていることを特徴とするガスタービン。
請求項３に記載の高湿分空気利用ガスタービンにおいて、
空気孔プレートに環状に配置された多数の空気孔のうち、空気孔プレートの中央の中心近傍の複数の空気孔は空気に旋回流を生じさせるように空気孔プレートに傾斜させて該空気孔を形成していることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。