JP7307701B2 - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

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Description

本発明は、ガスタービン燃焼器に関する。
特許文献１のガスタービン燃焼器は、パイロットバーナと、パイロットバーナの外周側に配置されたメインバーナとを備える。パイロットバーナは、拡散燃焼方式であって、燃料を燃焼室に直接噴射する。メインバーナは、予混合燃焼方式であって、予混合流路にて燃料と空気を混合し、その混合気を燃焼室に供給する。予混合燃焼は、拡散燃焼と比べて、火炎の安定性が低いものの、ＮＯｘ排出量を低減する。
特許文献１のガスタービン燃焼器は、パイロットバーナに供給される燃料の流量を調整するパイロット流量調整弁と、メインバーナが周方向で区分された４つのバーナセクタにそれぞれ供給される燃料の流量を調整する４つのメイン流量調整弁と、パイロット流量調整弁及びメイン流量調整弁を制御する制御装置とを備える。
制御装置は、ガスタービンの起動から定格負荷運転となるまで、パイロット流量調整弁及びメイン流量調整弁を制御する。詳しく説明すると、まず、パイロットバーナのみに燃料を供給させ、その燃料流量を増加させる。その後、パイロットバーナと１つのバーナセクタに燃料を供給するように切替え、それらの燃料流量を増加させる。その後、パイロットバーナと２つのバーナセクタに燃料を供給するように切替え、それらの燃料流量を増加させる。その後、パイロットバーナと３つのバーナセクタに燃料を供給するように切替え、それらの燃料流量を増加させる。その後、パイロットバーナと４つのバーナセクタに燃料を供給するように切替え、それらの燃料流量を増加させる。
特開２０１４－２４０６３５号公報（図７、図８、図９Ａ、及び図９等参照）
特許文献１では、明確に記載されていないものの、制御装置は、全てのバーナセクタに燃料が供給されるとき、各バーナセクタの燃料流量を均等にしている。全てのバーナセクタに燃料が供給されるとき、予混合燃焼方式のメインバーナの燃料流量が拡散燃焼方式のパイロットバーナの燃料流量より著しく多くなる。そのため、火炎のゆらぎを増幅させる現象が発生する。本願発明者らは、全てのバーナセクタに燃料が供給されるとき、少なくとも１つのバーナセクタと他のバーナセクタの間で燃料流量の偏差を生じさせれば、火炎のゆらぎを抑えて、燃焼安定性が向上することに気づいた。
本発明の目的は、燃焼安定性の向上を図ることができるガスタービン燃焼器を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、パイロットバーナと、前記パイロットバーナに供給される燃料の流量を調整するパイロット流量調整弁と、前記パイロットバーナの外周側に配置された予混合燃焼方式のメインバーナと、前記メインバーナが周方向で区分された複数のバーナセクタにそれぞれ供給される燃料の流量を調整する複数のメイン流量調整弁と、前記パイロット流量調整弁及び前記複数のメイン流量調整弁を制御する制御装置とを備えたガスタービン燃焼器において、前記制御装置は、前記複数のバーナセクタの全てに燃料が供給されるとき、前記複数のバーナセクタの燃料流量の平均値に対する前記複数のバーナセクタのそれぞれの燃料流量の増加と減少が周方向に交互となるように、前記複数のメイン流量調整弁を制御する。
本発明によれば、燃焼安定性の向上を図ることができる。
本発明の一実施形態におけるガスタービン燃焼器の構造と共に、この燃焼器を備えたガスタービンの構成を表す概略図である。 図１の矢視II－IIによる断面図である。 本発明の一実施形態におけるガスタービン燃焼器の燃料供給の推移を表すタイムチャートである。 図３の時間Ｔ以降における燃料流量の推移を示すタイムチャートである。 本発明の第１の変形例における６つのバーナセクタとそれらの燃料流量の関係を表す概略図である。 本発明の第２の変形例における６つのバーナセクタとそれらの燃料流量の関係を表す概略図である。 本発明の第３の変形例における２つのバーナセクタとそれらの燃料流量の関係を表す概略図である。
本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態におけるガスタービン燃焼器の構造と共に、この燃焼器を備えたガスタービンの構成を表す概略図である。図２は、図１の矢視II－IIによる断面図である。なお、図２においては、便宜上、ライナ及びケーシングの図示を省略する。
本実施形態のガスタービンプラントは、発電機１と、発電機１を駆動するガスタービンとを備える。ガスタービンは、高圧空気を生成する圧縮機２と、圧縮機２からの高圧空気と燃料を燃焼する燃焼器３と、燃焼器３からの燃焼ガスによって駆動されるタービン４とを備える。発電機１及び圧縮機２は、タービン４と同軸に接続され、タービン４によって駆動される。
燃焼器３（ガスタービン燃焼器）は、パイロットバーナ５と、パイロットバーナの外周側に配置されたメインバーナ６と、パイロットバーナ５及びメインバーナ６の下流側（図１の右側）に配置された円筒状のライナ７とを備える。ライナ７の外側（すなわち、ライナ７とケーシング８の間）には、圧縮機２からの高圧空気をパイロットバーナ５及びメインバーナ６に供給する空気流路９が形成されている。ライナ７の内側には燃焼室１０が形成されている。
パイロットバーナ５は、拡散燃焼方式であって、燃料を燃焼室１０に噴射する燃料ノズル１１と、燃料ノズル１１の外周側に形成された空気流路１２と、空気流路１２に配置され、旋回流を生じさせる複数の旋回羽根１３とを有する。空気流路１２は、上述した空気流路９に接続されている。パイロットバーナ５は、燃料ノズル１１から燃焼室１０へ燃料を噴射すると共に、空気流路１２から燃焼室１０へ空気を供給する。なお、パイロットバーナ５は、拡散燃焼方式に限らず、他の燃焼方式のものを適用してもよい。
メインバーナ６は、予混合燃焼方式であって、パイロットバーナ５の外周側に配置された内筒１４と、内筒１４の外周側に配置された外筒１５と、内筒１４と外筒１５の間の空間を周方向に区分して複数（本実施形態では１２個）の予混合流路１６を形成する複数の隔壁１７ａ～１７ｌと、複数の予混合流路１６に燃料を噴射する複数（本実施形態では２４個。すなわち、各予混合流路１６に対して２個）の燃料ノズル１８と、複数の予混合流路１６の下流側に配置された環状の保炎器１９とを有する。予混合流路１６は、上述した空気流路９に接続されている。メインバーナ６は、予混合流路１６にて、燃料ノズル１８からの燃料と空気流路９からの空気を混合し、その混合気を燃焼室１０に供給する。
メインバーナ６は、隔壁１７ａ，１７ｄ，１７ｇ，１７ｊによって、４つのバーナセクタ２０ａ～２０ｄに区分されている。各バーナセクタは、３組の予混合流路１６と燃料ノズル１８を有する。燃焼室１０では、パイロットバーナ５及びバーナセクタ２０ａ～２０ｄのうちのいずれかから供給された燃料と空気が燃焼し、燃焼ガスを発生させる。
燃焼器３は、パイロットバーナ５及びバーナセクタ２０ａ～２０ｄに燃料を供給する燃料系統２１と、制御装置３０とを更に備える。燃料系統２１は、燃料供給源（図示せず）に接続された共通燃料系統２２と、共通燃料系統２２から分岐され、パイロットバーナ５に燃料を供給するパイロット燃料系統２３と、共通燃料系統２２から分岐され、バーナセクタ２０ａ～２０ｄに燃料をそれぞれ供給するメイン燃料系統２４ａ～２４ｄとで構成されている。
共通燃料系統２２には遮断弁２５が設けられている。パイロット燃料系統２３にはパイロット流量調整弁２６が設けられ、メイン燃料系統２４ａ～２４ｄにはメイン流量調整弁２７ａ～２７ｄがそれぞれ設けられている。パイロット流量調整弁２６は、パイロットバーナ５（詳細には、燃料ノズル１１）に供給される燃料の流量を調整するためのものである。各メイン流量調整弁は、対応するバーナセクタ（詳細には、図示しないヘッダを介し６つの燃料ノズル１８）に供給される燃料の流量を調整するためのものである。
制御装置３０は、ガスタービンの運転状況に応じ、パイロット流量調整弁２６及びメイン流量調整弁２７ａ～２７ｄを制御して、燃料の供給範囲及び流量を制御する。その詳細を、図３及び図４を用いて説明する。
図３は、本実施形態におけるガスタービン燃焼器の燃料供給の推移を表すタイムチャートである。図３の上側部分は、パイロットバーナ５及びバーナセクタ２０ａ～２０ｄのうちの燃料供給範囲（ハッチング部分）の推移を示す。図３の下側部分は、パイロットバーナ５の燃料流量Ｆ１、バーナセクタ２０ａの燃料流量Ｆ２ａ、バーナセクタ２０ｂの燃料流量Ｆ２ｂ、バーナセクタ２０ｃの燃料流量Ｆ２ｃ、及びバーナセクタ２０ｄの燃料流量Ｆ２ｄの推移を示す。図４は、図３の時間Ｔ以降におけるパイロットバーナ５の燃料流量Ｆ１、メインバーナ６の燃料流量Ｆ２、バーナセクタ２０ａの燃料流量Ｆ２ａ、バーナセクタ２０ｂの燃料流量Ｆ２ｂ、バーナセクタ２０ｃの燃料流量Ｆ２ｃ、及びバーナセクタ２０ｄの燃料流量Ｆ２ｄの推移を示すタイムチャートである。
ガスタービンの点火時（起動時）、制御装置３０は、遮断弁２５、パイロット流量調整弁２６、及びメイン流量調整弁２７ｂ，２７ｄを開状態とし、メイン流量調整弁２７ａ，２７ｃを閉状態とする。これにより、パイロットバーナ５及びバーナセクタ２０ｂ，２０ｄから燃焼室１０に燃料及び高圧空気を供給させる。
ガスタービンの点火後（起動後）、制御装置３０は、遮断弁２５及びパイロット流量調整弁２６を開状態とし、メイン流量調整弁２７ａ～２７ｄを閉状態とする。これにより、パイロットバーナ５から燃焼室１０に燃料及び高圧空気を供給させる。制御装置３０は、タービン４の回転数が定格回転数に達するまで（言い換えれば、ガスタービンが定格回転数無負荷状態（ＦＳＮＬ：Full Speed No Load）に達するまで）、パイロット流量調整弁２６の開度を増加して、パイロットバーナ５の燃料流量Ｆ１を増加させる。
タービン４の回転数が定格回転数に達したら、発電機１の発電を開始すると共に、ガスタービンが定格回転数定格負荷状態（ＦＳＦＬ：Full Speed Full Load）に達するまで、ガスタービンの負荷を増加させる。詳しく説明すると、制御装置３０は、まず、メイン流量調整弁２７ａを閉状態から開状態に切替える。これにより、パイロットバーナ５及びバーナセクタ２０ａから燃焼室１０に燃料及び高圧空気を供給させる。制御装置３０は、メイン流量調整弁２７ａの切替時に、パイロット流量調整弁２６の開度を減少して、パイロットバーナ５の燃料流量Ｆ１を減少させる。これにより、総燃料流量Ｆ１から総燃料流量（Ｆ１＋Ｆ２ａ）への変化を抑える。その後、制御装置３０は、パイロット流量調整弁２６の開度及びメイン流量調整弁２７ａの開度を増加して、パイロットバーナ５の燃料流量Ｆ１及びバーナセクタ２０ａの燃料流量Ｆ２ａを増加させる。
ガスタービンの負荷が第１の値に達したら、制御装置３０は、メイン流量調整弁２７ｄを閉状態から開状態に切替える。これにより、パイロットバーナ５及びバーナセクタ２０ａ，２０ｄから燃焼室１０に燃料及び高圧空気を供給させる。制御装置３０は、メイン流量調整弁２７ｄの切替時に、パイロット流量調整弁２６の開度を減少して、パイロットバーナ５の燃料流量Ｆ１を減少させる。これにより、総燃料流量（Ｆ１＋Ｆ２ａ）から総燃料流量（Ｆ１＋Ｆ２ａ＋Ｆ２ｄ）への変化を抑える。その後、制御装置３０は、パイロット流量調整弁２６の開度、メイン流量調整弁２７ａの開度、及びメイン流量調整弁２７ｄの開度を増加して、パイロットバーナ５の燃料流量Ｆ１、バーナセクタ２０ａの燃料流量Ｆ２ａ、及びバーナセクタ２０ｄの燃料流量Ｆ２ｄを増加させる。このとき、バーナセクタ２０ａの燃料流量Ｆ２ａとバーナセクタ２０ｄの燃料流量Ｆ２ｄを等しくする。
ガスタービンの負荷が第２の値（但し、第２の値＞第１の値）に達したら、制御装置３０は、メイン流量調整弁２７ｂを閉状態から開状態に切替える。これにより、パイロットバーナ５及びバーナセクタ２０ａ，２０ｂ，２０ｄから燃焼室１０に燃料及び高圧空気を供給させる。制御装置３０は、メイン流量調整弁２７ｂの切替時に、パイロット流量調整弁２６の開度を減少して、パイロットバーナ５の燃料流量Ｆ１を減少させる。これにより、総燃料流量（Ｆ１＋Ｆ２ａ＋Ｆ２ｄ）から総燃料流量（Ｆ１＋Ｆ２ａ＋Ｆ２ｂ＋Ｆ２ｄ）への変化を抑える。その後、制御装置３０は、パイロット流量調整弁２６の開度、メイン流量調整弁２７ａの開度、メイン流量調整弁２７ｂの開度、及びメイン流量調整弁２７ｄの開度を増加して、パイロットバーナ５の燃料流量Ｆ１、バーナセクタ２０ａの燃料流量Ｆ２ａ、バーナセクタ２０ｂの燃料流量Ｆ２ｂ、及びバーナセクタ２０ｄの燃料流量Ｆ２ｄを増加させる。このとき、バーナセクタ２０ａの燃料流量Ｆ２ａとバーナセクタ２０ｂの燃料流量Ｆ２ｂとバーナセクタ２０ｄの燃料流量Ｆ２ｄを等しくする。
ガスタービンの負荷が第３の値（但し、第３の値＞第２の値）に達したら（時間Ｔ）、制御装置３０は、メイン流量調整弁２７ｃを閉状態から開状態に切替える。これにより、パイロットバーナ５及びバーナセクタ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄから燃焼室１０に燃料及び高圧空気を供給させる。制御装置３０は、メイン流量調整弁２７ｃの切替時に、パイロット流量調整弁２６の開度を減少して、パイロットバーナ５の燃料流量Ｆ１を減少させる。これにより、総燃料流量（Ｆ１＋Ｆ２ａ＋Ｆ２ｂ＋Ｆ２ｄ）から総燃料流量（Ｆ１＋Ｆ２ａ＋Ｆ２ｂ＋Ｆ２ｃ＋Ｆ２ｄ）への変化を抑える。その後、制御装置３０は、パイロット流量調整弁２６の開度、メイン流量調整弁２７ａの開度、メイン流量調整弁２７ｂの開度、メイン流量調整弁２７ｃの開度、及びメイン流量調整弁２７ｄの開度を増加して、パイロットバーナ５の燃料流量Ｆ１、バーナセクタ２０ａの燃料流量Ｆ２ａ、バーナセクタ２０ｂの燃料流量Ｆ２ｂ、バーナセクタ２０ｃの燃料流量Ｆ２ｃ、及びバーナセクタ２０ｄの燃料流量Ｆ２ｄを増加させる。
このとき、本実施形態の特徴として、制御装置３０は、バーナセクタ２０ａ，２０ｃとバーナセクタ２０ｂ，２０ｄの間で燃料流量の偏差が生じるように、メイン流量調整弁２７ａ～２７ｄを制御する。詳細には、バーナセクタ２０ａ～２０ｄの燃料流量の平均値（＝（Ｆ２ａ＋Ｆ２ｂ＋Ｆ２ｃ＋Ｆ２ｄ）／４）に対し、バーナセクタ２０ａの燃料流量Ｆ２ａ及びバーナセクタ２０ｃの燃料流量Ｆ２ｃを増加させ、バーナセクタ２０ｂの燃料流量Ｆ２ｂ及びバーナセクタ２０ｄの燃料流量Ｆ２ｄを減少させる。これにより、全てのバーナセクタ２０ａ～２０ｄに燃料が供給されるときに、燃焼火炎のゆらぎを増幅させる現象が発生しやすいものの、この現象を抑制することができる。したがって、燃焼安定性の向上を図ることができる。
また、本実施形態では、バーナセクタ２０ａ～２０ｄの燃料流量の平均値に対するバーナセクタ２０ａ～２０ｄのそれぞれの燃料流量の増加と減少が周方向に交互となっている。これにより、燃料流量の増加と減少が周方向に交互となっていない場合と比べ、燃焼安定性を高めることができる。その結果、下流側のメタル温度の局所的な上昇を抑えることができる。
なお、上記一実施形態において、メインバーナ６は、隔壁１７ａ，１７ｄ，１７ｇ，１７ｊによって４つのバーナセクタ２０ａ～２０ｄに区分され、燃料系統２１は、４つのバーナセクタ２０ａ～２０ｄにそれぞれ対応する４組のメイン燃料系統とメイン流量調整弁を有する場合を例にとって説明したが、これに限られない。
例えば図５で示す第１の変形例のように、メインバーナ６は、隔壁１７ａ，１７ｃ，１７ｅ，１７ｇ，１７ｉ，１７ｋによって６つのバーナセクタ２０ａ～２０ｆに区分され、燃料系統２１は、６つのバーナセクタ２０ａ～２０ｆにそれぞれ対応する６組のメイン燃料系統とメイン流量調整弁を有してもよい。この変形例では、制御装置３０は、全てのバーナセクタ２０ａ～２０ｆに燃料が供給されるとき、バーナセクタ２０ａ，２０ｃ，２０ｅとバーナセクタ２０ｂ，２０ｄ，２０ｆの間で燃料流量の偏差が生じるように、メイン流量調整弁を制御する。詳細には、バーナセクタ２０ａ～２０ｆの燃料流量の平均値（＝（Ｆ２ａ＋Ｆ２ｂ＋Ｆ２ｃ＋Ｆ２ｄ＋Ｆ２ｅ＋Ｆ２ｆ）／６）に対し、バーナセクタ２０ｂの燃料流量Ｆ２ｂ、バーナセクタ２０ｄの燃料流量Ｆ２ｄ、及びバーナセクタ２０ｆの燃料流量Ｆ２ｆを増加させ、バーナセクタ２０ａの燃料流量Ｆ２ａ、バーナセクタ２０ｃの燃料流量Ｆ２ｃ、及びバーナセクタ２０ｅの燃料流量Ｆ２ｅを減少させる。これにより、上記一実施形態と同様の効果を得ることができる。
あるいは、図６で示す第２の変形例のように、制御装置３０は、全てのバーナセクタ２０ａ～２０ｆに燃料が供給されるとき、バーナセクタ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｅとバーナセクタ２０ｄ，２０ｆの間で燃料流量の偏差が生じるように、メイン流量調整弁を制御する。詳細には、バーナセクタ２０ａ～２０ｆの燃料流量の平均値に対し、バーナセクタ２０ｄの燃料流量Ｆ２ｄ及びバーナセクタ２０ｆの燃料流量Ｆ２ｆを増加させ、バーナセクタ２０ａの燃料流量Ｆ２ａ、バーナセクタ２０ｂの燃料流量Ｆ２ｂ、バーナセクタ２０ｃの燃料流量Ｆ２ｃ、及びバーナセクタ２０ｅの燃料流量Ｆ２ｅを減少させる。この変形例では、第１の変形例ほどの効果が得られないものの、燃焼安定性の向上を図ることができる。
また、例えば図７で示す第３の変形例のように、メインバーナ６は、隔壁１７ａ，１７ｇによって２つのバーナセクタ２０ａ，２０ｂに区分され、燃料系統２１は、２つのバーナセクタ２０ａ，２０ｂにそれぞれ対応する２組のメイン燃料系統とメイン流量調整弁を有してもよい。この変形例では、制御装置３０は、全てのバーナセクタ２０ａ，２０ｂに燃料が供給されるとき、バーナセクタ２０ａとバーナセクタ２０ｂの間で燃料流量の偏差が生じるように、メイン流量調整弁を制御する。詳細には、バーナセクタ２０ａ，２０ｂの燃料流量の平均値に対し、バーナセクタ２０ｂの燃料流量Ｆ２ｂを増加させ、バーナセクタ２０ａの燃料流量Ｆ２ａを減少させる。これにより、燃焼安定性の向上を図ることができる。
３ 燃焼器
５ パイロットバーナ
６ メインバーナ
２０ａ～２０ｆ バーナセクタ
２６ パイロット流量調整弁
２７ａ～２７ｄ メイン流量調整弁
３０ 制御装置

Claims (1)

  1. パイロットバーナと、前記パイロットバーナに供給される燃料の流量を調整するパイロット流量調整弁と、前記パイロットバーナの外周側に配置された予混合燃焼方式のメインバーナと、前記メインバーナが周方向で区分された複数のバーナセクタにそれぞれ供給される燃料の流量を調整する複数のメイン流量調整弁と、前記パイロット流量調整弁及び前記複数のメイン流量調整弁を制御する制御装置とを備えたガスタービン燃焼器において、
    前記制御装置は、前記複数のバーナセクタの全てに燃料が供給されるとき、前記複数のバーナセクタの燃料流量の平均値に対する前記複数のバーナセクタのそれぞれの燃料流量の増加と減少が周方向に交互となるように、前記複数のメイン流量調整弁を制御することを特徴とするガスタービン燃焼器。
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