JPH0988628A - 再熱型ガスタービンプラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】構造が簡単でかつ良好な燃焼反応を行う再熱燃
焼器を持つ再熱型ガスタービンプラントを提供すること
ができ、ＮＯｘ濃度の低い燃焼ガスを発生させる機能を
付加することもでき、効率的な発電を行える機能を付加
することもでき、高い信頼性を保ち、始動および停止を
行うことができるようにする。 【解決手段】空気を作動流体とし、圧縮機２１、主燃焼
器２２、高圧タービン２３、再熱燃焼器２４、低圧ター
ビン２５の順に接続された再熱型ガスタービンプラント
において、再熱燃焼器２４の燃焼器ライナー３０内に燃
焼域が急に拡大する急拡大部３４を設け、この急拡大部
に再熱燃焼器メイン燃料を供給可能とした。また、再熱
燃焼器２４の燃焼器ライナー３０内に予混合ガスを供給
する予混合ダクト３９を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電プラント等と
して適用される再熱型ガスタービンプラントに関する。

【０００２】

【従来の技術】発電プラント等に適用されるガスタービ
ンプラントでは、ガスタービンの入口温度を上昇させる
ことにより、比出力および熱効率を上昇させることが知
られており、現に近年の発電用ガスタービンプラントの
ガスタービン入口温度は飛躍的に上昇してきている。し
かし、ガスタービン入口温度がある程度以上まで上昇す
ると、燃焼ガスに含まれる酸化ガスや作動流体に相当量
残存する酸素のため、高温酸化による高温部品の劣化が
生じる。これは、ガスタービン入口温度が上昇すればす
るほど激しくなる。このため、当該部品に対する冷却が
必要になってくるが、これに使用する冷却空気が増加す
るほど熱効率は低下する。

【０００３】これまで、ガスタービン入口温度の上昇に
伴い、少ない冷却空気で冷却を行うための技術開発が盛
んに行われてきたが、最近ではこの開発にも限界が見ら
れ、ガスタービン入口温度を上昇させることで得られる
熱効率の上昇分が冷却空気量の増加に伴う熱効率の低下
に見合わなくなってきており、タービン入口温度の上昇
は頭打ちになろうとしている。

【０００４】そこで、再熱型ガスタービンプラントが注
目されてきている。再熱型ガスタービンプラントは、同
一のタービン入口温度でも、シンプルサイクルガスター
ビンプラントより比出力および熱効率を上昇させること
ができる。この理由を以下に説明する。

【０００５】図８は、シンプルサイクルガスタービン発
電プラントの模式図である。大気から圧縮機１に導入さ
れた空気ａは、圧縮されて高圧の空気になる。高圧の空
気は主燃焼器２に導入され、燃料３の投入により高温高
圧の燃焼ガスとなる。この燃焼ガスはガスタービン４に
導入されて膨張し、ガスタービン４を駆動した後、低温
低圧の燃焼ガスとなって排出される。ガスタービン４で
は動力が取り出され、この動力で圧縮機１が駆動され、
さらに発電機６が駆動されて電力が発生する。

【０００６】図９は、このようなシンプルサイクルガス
タービン発電プラントにおける作動流体の圧力（Ｐ）と
比容積（Ｖ）の関係を示すＰ−Ｖ線図である。

【０００７】一方、図１０は再熱型ガスタービン発電プ
ラントの模式図である。圧縮機１で圧縮された空気ａは
高圧となり、主燃焼器２で燃料３を投入されて、高温高
圧の燃焼ガスとなる。この燃焼ガスは高圧タービン４ａ
に導かれて膨張し、高圧タービン４ａでは動力が取り出
される。しかし、膨張した後の燃焼ガスは、まだ比較的
高温高圧であり、これを再熱燃焼器６に導いてメイン燃
料７を投入することにより、比較的高圧で高温の燃焼ガ
スとなる。この燃焼ガスを低圧タービン４ｂに導いて再
び膨張させ、排出させる一方、低圧タービン４ｂからも
動力を取り出す。高圧タービン４ａおよび低圧タービン
４ｂから取り出された動力は、圧縮機１を駆動するとと
もに、発電機５を駆動して電力を発生させる。

【０００８】図１０は、このような再熱型ガスタービン
発電プラントにおける作動流体のＰ−Ｖ線図である。

【０００９】一般に発電用ガスタービンプラントは、ガ
スタービンから排出される燃焼ガスの排熱を利用し、蒸
気を発生させ、その蒸気で蒸気タービンを駆動し、発電
を行うというコンバインドサイクル発電を行うため、排
気温度はある範囲に選定される。この範囲は、蒸気ター
ビンのサイクルをより効率的なものとする範囲に選定さ
れるため、シンプルサイクルガスタービン発電プラント
でも、再熱型ガスタービン発電プラントでも同一の範囲
が選定される。従って、シンプルサイクルガスタービン
発電プラントのガスタービン入口温度が、再熱型ガスタ
ービン発電プラントの低圧タービン入口温度と同一の場
合、シンプルサイクルガスタービン発電プラントのガス
タービン入口圧力と、再熱型ガスタービン発電プラント
の低圧タービン入口圧力とは同一となる。

【００１０】従って、同じガスタービン入口温度の場
合、シンプルサイクルガスタービン発電プラントと再熱
型ガスタービン発電プラントとでは圧縮機での圧力比が
異なり、再熱型ガスタービン発電プラントの方が高くな
ることが一般的である。

【００１１】図９および図１１に示されるＰ−Ｖ線図で
は、線で囲まれた面積が比出力を示すものであり、再熱
型ガスタービンシステムについての図１１の斜線で示さ
れた部分が、シンプルサイクルガスタービンシステムに
ついての図９のものよりも広い部分である。従って、一
般的に再熱型ガスタービンシステムはシンプルサイクル
ガスタービンシステムと比較して、比出力が高くなる。

【００１２】また、ガスタービンシステムでは一般的
に、圧力比が高いほど熱効率が上昇する。前述のように
再熱型ガスタービンシステムはシンプルサイクルガスタ
ービンシステムと比較して高い圧力比を持つため、熱効
率も再熱型ガスタービンシステムの方が上まわる。

【００１３】このように、同一のガスタービン入口温度
でも高い比出力および熱効率を実現できる再熱型ガスタ
ービンシステムは、ガスタービン入口温度に限界が見え
る現在では非常に注目されているシステムである。

【００１４】このようなシステムによる再熱型ガスター
ビンプラントにおいて最も重要な装置は、再熱燃焼器で
ある。再熱型ガスタービンプラントは、ガスタービン入
口温度の限界が叫ばれる時点において、たびたび注目さ
れていたが、従来では余り使用されることが無かった。
これは、再熱燃焼器によるところが大きい。即ち、再熱
燃焼器の入口温度が既に高温であることや、流れが比較
的高速であることにより、安定した燃焼が維持できなか
ったり、あるいは信頼性を低下させ、長時間の運転がで
きなかった為である。

【００１５】燃焼器には、燃焼反応を維持させること、
つまり保炎性の良いこと、および燃料と酸素とを充分に
混合させて燃焼反応を促進することの２つの機能が要求
される。これまでは、火炎が吹き消えない程の流速にす
るためにディフューザーを用いて流れを減速し、また保
炎性を良くし、燃料と酸素とを充分に混合させるため
に、Ｖガッタやスワラーを用いて流れを乱して乱流領域
を作り出していた。また、燃料ノズルを燃焼室内に突出
させて乱流領域を作り出すことも行われてきた。

【００１６】図１２は、ディフューザーおよびＶガッタ
を用いた再熱燃焼器６の例を示しており、ディフューザ
ー８により低圧タービン４ａから供給されるガス９の流
れを減速させる一方、燃焼器ライナー１０の再熱燃焼器
燃料ノズル１１の下流に設置したＶガッタ１２によりメ
イン燃料７の流れを乱して乱流領域を作り出し、保炎性
を良くしたり、燃料と酸素とを充分に混合させることを
行っている。なお、１３はトラジションピース、１４は
燃焼器ケーシングである。

【００１７】図１３は、ディフューザーおよびスワラー
を用いた再熱燃焼器６の例を示しており、ディフューザ
ー８によりガス９の流れを減速させる一方、再熱燃焼器
燃料ノズル１１と一体に形成されたスワラー１５により
メイン燃料７の流れを乱して乱流領域を作り出し、保炎
性を良くしたり、燃料と酸素とを充分に混合させること
を行っている。

【００１８】図１４は、ディフューザーおよび燃焼器燃
料ノズルのみを使用した再熱燃焼器６の例を示してお
り、ディフューザー８によりガス９の流れを減速させる
一方、再熱燃焼器燃料ノズル１１およびその下流に設置
された急拡大部１６によりメイン燃料７の流れを乱して
乱流領域を作り出し、保炎性を良くしたり、燃料と酸素
とを充分に混合させることを行っている。

【００１９】しかしながら、これらのＶガッタ２０、ス
ワラー２１および再熱燃焼器燃料ノズル１１は全て高温
に曝される。それは、再熱燃焼器６に入るメイン燃料７
としてのガスが高温であり、これらの部品は燃焼器ライ
ナー２５内で流れに対して略垂直に突出または配置され
ているからである。そのため、これらの部品には冷却機
構が必要となり、構造が複雑になって燃焼器の信頼性を
低下させ、その結果、長期間安定して再熱ガスタービン
プラントを運転することができないという問題を生じ
る。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、非常に
有用である再熱型ガスタービンにおいては、再熱燃焼器
の構造を簡単にして信頼性を向上させ、かつ安定して燃
焼反応が起こるようにしなければ、商用プラントとして
長時間安定して運転することはできない。

【００２１】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、構造が簡単で、かつ良好な燃焼反応を行う再熱
燃焼器を備えた再熱型ガスタービンプラントを提供する
ことを目的とする。

【００２２】また、本発明は環境問題に対応するために
ＮＯｘ濃度の低い燃焼ガスを発生させる機能を付加した
再熱型ガスタービンプラントを提供することを目的とす
る。

【００２３】さらに、本発明は効率的な発電を行える機
能を付加した再熱型ガスタービンプラントを提供するこ
とを目的とする。

【００２４】さらにまた、本発明は始動時や停止時等の
制御を適確に行え、信頼性の高い再熱型ガスタービンプ
ラントを提供することを目的とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、請求項１の発明は、空気を作動流体とし、圧縮機、
主燃焼器、高圧タービン、再熱燃焼器、低圧タービンの
順に接続された再熱型ガスタービンプラントにおいて、
前記再熱燃焼器の燃焼器ライナー内に燃焼域が急に拡大
する急拡大部を設け、この急拡大部に再熱燃焼器メイン
燃料を供給可能としたことを特徴とする。

【００２６】請求項２の発明は、空気を作動流体とし、
圧縮機、主燃焼器、高圧タービン、再熱燃焼器、低圧タ
ービンの順に接続された再熱型ガスタービンプラントに
おいて、燃料と空気とを予混合させて前記再熱燃焼器の
燃焼器ライナー内に予混合ガスを供給する予混合ダクト
を設けたことを特徴とする。

【００２７】請求項３の発明は、空気を作動流体とし、
圧縮機、主燃焼器、高圧タービン、再熱燃焼器、低圧タ
ービンの順に接続された再熱型ガスタービンプラントに
おいて、前記再熱燃焼器の燃焼器ライナー内に燃焼域が
急に拡大する急拡大部を設けるとともに、燃料と空気と
を予混合させて前記再熱燃焼器の燃焼器ライナー内の急
拡大部に予混合ガスを供給する予混合ダクトを設けたこ
とを特徴とする。

【００２８】請求項４の発明は、請求項１から３までの
いずれかに記載の再熱型ガスタービンプラントにおい
て、再熱燃焼器の燃焼器ライナーに設けた急拡大部に、
スワラーその他の燃焼器内流れに旋回流を生じさせる旋
回流発生手段を備えたことを特徴とする。

【００２９】請求項５の発明は、請求項２または３に記
載の再熱型ガスタービンプラントにおいて、再熱燃焼器
の燃焼器ライナー内の主流ガスを高圧タービンからの排
出ガスとし、予混合用空気および燃料を外部からの供給
空気および燃料としたことを特徴とする。

【００３０】請求項６の発明は、請求項１から４までの
いずれかに記載の再熱型ガスタービンプラントにおい
て、再熱燃焼器の燃焼器ライナー内の主流ガスを高圧タ
ービンからの排出ガスとし、燃焼用空気、再熱燃焼器冷
却用空気または燃料を外部からの供給空気または燃料と
したことを特徴とする。

【００３１】請求項７の発明は、請求項１から４までの
いずれかに記載の再熱型ガスタービンプラントにおい
て、再熱燃焼器の燃焼用空気、予混合用空気または再熱
燃焼器冷却用空気が、主燃焼器または高圧タービンを経
ることなく、圧縮機から直接供給される空気であること
を特徴とする。

【００３２】請求項８の発明は、請求項１から７までの
いずれかに記載の再熱型ガスタービンプラントにおい
て、燃料の着火時に圧縮機の吐出圧力を検出するセンサ
ーおよび低圧タービンの排気温度を検出するセンサーを
設け、これらのセンサーからの信号に基づいて再熱燃焼
器内温度を推定し、再熱燃焼器内推定温度が燃料の自然
着火温度以上に達したときに再熱燃焼器の燃料供給を開
始するとともに、運転停止時に再熱燃焼器内推定温度が
燃料の自然着火温度以下になる直前に再熱燃焼器の燃料
供給を停止するようにしたことを特徴とする。

【００３３】請求項９の発明は、請求項１から７までの
いずれかに記載の再熱型ガスタービンプラントにおい
て、燃料の着火時に低圧タービンの排気温度を検出する
センサーおよび再熱燃焼器内の圧力を検出するセンサー
を設け、これらのセンサーからの信号に基づいて再熱燃
焼器内温度を推定し、再熱燃焼器内推定温度が燃料の自
然着火温度以上に達したときに再熱燃焼器の燃料供給を
開始するとともに、運転停止時に再熱燃焼器内推定温度
が燃料の自然着火温度以下になる直前に再熱燃焼器の燃
料供給を停止するようにしたことを特徴とする。

【００３４】請求項１０の発明は、請求項１から７まで
のいずれかに記載の再熱型ガスタービンプラントにおい
て、再熱燃焼器での燃料着火後に圧縮機の吐出圧力を検
出するセンサーおよび低圧タービンの排気温度を検出す
るセンサーを設け、これらのセンサーからの信号に基づ
いて再熱燃焼器の供給燃料流量を制御するようにしたこ
とを特徴とする。

【００３５】請求項１１の発明は、請求項１から７まで
のいずれかに記載の再熱型ガスタービンプラントにおい
て、再熱燃焼器での燃料着火後に低圧タービンの排気温
度を検出するセンサーおよび再熱燃焼器内の圧力を検出
するセンサーを設け、これらのセンサーからの信号に基
づいて再熱燃焼器の供給燃料流量を制御するようにした
ことを特徴とする。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る再熱型ガスタ
ービンプラントの実施形態について図面を参照して説明
する。

【００３７】実施形態（図１〜図４） 図１は本実施形態の再熱型ガスタービンプラントの要部
をなす再熱燃焼器を縦断面で示す構成図、図２は図１の
Ａ−Ａ線断面図、図３はプラント全体の構成図、図４は
制御系を示す系統図である。

【００３８】本実施形態の再熱型ガスタービンプラント
は、概述して、図３に示すように、圧縮機２１、主燃焼
器２２、高圧タービン２３、再熱燃焼器２４および低圧
タービンを順に接続して構成されている。再熱燃焼器２
４の外側には、これを囲むガスタービンケーシング２６
の空気供給管２７を介して、圧縮機２１から予混合およ
び燃焼器冷却用空気２８が供給されるようになってい
る。

【００３９】そして図１に示すように、本実施形態では
再熱燃焼器２４が、カン型構造とされており、ガスター
ビンケーシング２６内に順次に配置されたディフューザ
ー２９、燃焼器ライナー３０およびトラジションピース
３１によって構成されている。これらディフューザー２
９、燃焼器ライナー３０およびトラジションピース３１
の外周側全体が略一定の間隔で燃焼器ケーシング３２に
よって覆われている。

【００４０】ディフューザー２９は高圧タービン２３か
らの排出ガス３３を受ける入口部から下流側に向って一
定長の範囲で次第に拡径している。また、燃焼器ライナ
ー３０はディフューザー２９の下流端部よりも径が拡大
した形状とされており、その連接部分となる鍔状壁が急
拡大部３４を構成している。トラジションピース３１は
燃焼器ライナー３０の下流端に接続されて先細状となっ
ており、その先端は低圧タービン２５側に接続されてい
る。

【００４１】また、ディフューザー２９の外周側に位置
して、再熱燃焼器２４における燃焼用メイン燃料３５を
供給する燃料供給管３６が設けられている。この燃料供
給管３６は、ガスタービンケーシング２６を外部から貫
通してその内部に導入され、ディフューザー２９の外周
側を囲む配置でリング状に構成されている。この燃料供
給管３６のリング状部分に燃料ノズル３７が周方向に沿
って複数、間隔的に設けられ、この各燃料ノズル３７か
ら吹出されるメイン燃料３５が予混合用空気３８ととも
に、それぞれ予混合ダクト３９に供給されるようになっ
ている。

【００４２】予混合ダクト３９は図１および図２に示す
ように、例えばディフューザー２９の周囲に６本、等間
隔で同心円上に配設されており、ダクト入口部は燃料ノ
ズル３７に臨む配置でノズル周囲の予混合用空気３８を
導入する状態で開口するとともに、ダクト出口部は燃焼
器ケーシング３２および燃焼器ライナー３０の急拡大部
３４となる鍔状壁を貫通して、燃焼器ライナー３０内に
開口し、予混合燃料取出口４０を構成している。

【００４３】なお、予混合用空気３８は、空気供給管２
７からガスタービンケーシング２６内に供給される予混
合および燃焼器冷却用空気２８の一部である。

【００４４】また、ディフューザー２９，燃焼器ライナ
ー３０およびトラジションピース３１を囲む燃焼器ケー
シング３２には多数の冷却空気孔４１が穿設してあり、
予混合および燃焼器冷却用空気２８の一部が燃焼器冷却
用空気４２として冷却空気孔４１を通り、ディフューザ
ー２９，燃焼器ライナー３０およびトラジションピース
３９の外表面に噴出してこれらを冷却するようになって
いる。

【００４５】即ち、本実施形態の再熱型ガスタービンプ
ラントでは、再熱燃焼器２４に急拡大部３４を備え、こ
の急拡大部３４に燃料を供給し、かつ燃焼器ライナー３
０内には、内部の流れに対して垂直方向に設置されて流
れを乱すような部品を有しない構造となっている。

【００４６】また、再熱燃焼器２４においては、急拡大
部３４にスワラー等の燃焼器内流れに旋回流を生じさせ
る部材を設けてもよい。

【００４７】再熱燃焼器２４の燃料供給については、予
混合ダクト３９内でメイン燃料３５と予混合用空気３８
とを予混合させて燃焼器ライナー３０内に予混合ガスを
吹き出すものである。燃焼器ライナー３０内の主流ガス
４３は高圧タービン２３からの排出ガス３３であり、燃
焼用空気や、再熱燃焼器用冷却空気４２およびメイン燃
料３５は、その外部から供給される。

【００４８】なお、燃焼用空気や再熱燃焼器用冷却空気
は、主燃焼器２２や高圧タービン２３を経ないで、圧縮
機２１から直接供給される。

【００４９】このような構成によると、再熱燃焼器２４
の燃焼器ライナー３０内の主流４３の流速は、ディフュ
ーザー２９によって減速されるため、火炎が吹き消えな
い程度の適当な流速が確保される一方、急拡大部３４に
よって乱流域が形成される。そして、この乱流域にメイ
ン燃料３５が供給されるため、保炎性が高くなり、燃料
とライナー内主流４３との混合が充分に促進され、安定
な燃焼が行われる。

【００５０】また、燃料を供給する方法として予混合ダ
クト３９を用いるようにしているため、この予混合ダク
ト３９の内部で、予混合用空気３８とメイン燃料３５と
が混合され、燃焼域で希薄予混合燃焼が行われるため、
生成される燃焼ガスのＮＯｘは、充分に低いものとな
る。

【００５１】また、燃焼器ライナー３０内に、高温に曝
される内部流れに対して垂直方向に設置された部品を設
けないようにしているので、燃焼器の構造が簡単なもの
となる。

【００５２】なお、本実施形態では、予混合ダクト３９
からの燃料が、急拡大部３４による乱流域において、ラ
イナー内主流４３に対して平行方向に供給されるように
しているが、この乱流域では流れが充分に乱されて各方
向に流れているため、平行方向以外、例えば垂直方向に
燃料供給が行われていても、上記と同様の作用が得られ
る。

【００５３】また、本実施形態では、予混合ダクト３９
による燃料と空気との予混合ガスが、ライナー内主流４
３に対して平行方向に供給されるようにしているが、斜
め方向から供給して乱流領域に旋回流を発生させても良
い。これにより、燃焼反応をさらに良好なものにするこ
とができる。

【００５４】以上の再熱燃焼器の構成により、燃焼器構
造を簡単にし、かつ良好な燃焼を行うことができ、さら
に生成される燃焼ガスはＮＯｘ濃度の低いものとするこ
とができる等の効果が奏される。

【００５５】次に、図４により、本実施形態による再熱
型ガスタービンプラントの運転制御等について説明す
る。

【００５６】この図４に示すように、圧縮機２１に空気
ａが供給されるとともに、この圧縮機２１の前後段部の
２個所に、始動時のサージングを防ぐための放風口５
１，５２が設けられ、後段の放風口５２の管路の途中か
ら分岐した分岐管５３が、再熱燃焼器２４に接続され、
予混合用および燃焼器冷却用空気２８の供給用配管とさ
れている。

【００５７】また、主燃焼器２２には主燃焼器パイロッ
ト燃料４５を供給する燃料供給管５４および主燃焼器メ
イン燃料４６を供給する燃料供給管５５が設けられ、こ
れらの両供給管５４，５５にそれぞれ主燃焼器パイロッ
ト燃料制御弁５６および主燃焼器メイン燃料制御弁５７
が設けられている。再熱燃焼器２４には前述したよう
に、再熱燃焼器メイン燃料３５を供給する燃料供給管３
６が設けられ、この燃料供給管３６に再熱燃焼器メイン
燃料制御弁５８が設けられている。

【００５８】一方、圧縮機２１から主燃焼器２２への圧
縮空気供給用の管路５９、再熱燃焼器２４から低圧ター
ビン２５へのガス供給用の管路６０および低圧タービン
２５からの排ガス用の管路６１には、それぞれ吐出圧力
センサー６２、再熱燃焼器内圧力センサー６３および排
気温度センサー６４が設けられている。

【００５９】そして、これら各センサー６２，６３，６
４からの検出信号Ｓ₁ ，Ｓ₂ ，Ｓ₃および発電機４７の
負荷信号Ｌが制御装置６５に入力され、制御装置６５で
はこれらの信号Ｓ₁ ，Ｓ₂ ，Ｓ₃ に基づいて、制御信号
Ｓ₄ ，Ｓ₅ ，Ｓ₆ を主燃焼器パイロット燃料制御弁５
６、主燃焼器メイン燃料制御弁５７および再熱燃焼器メ
イン燃料制御弁５８との間で入出力するようになってい
る。

【００６０】このような構成において、本実施形態の再
熱型ガスタービンプラントを始動させる場合には、ま
ず、圧縮機２１の図示しない入口案内翼を閉じて放風口
５１，５２を開き、図示しない起動モーターによって軸
４８を回転する。

【００６１】次に、主燃焼器２２に主燃焼器パイロット
燃料４５を供給し、図示しない点火プラグによって着火
する。その後、放風口５１，５２を閉じて定格回転数無
負荷の自立運転状態とする。

【００６２】その後、負荷をかけて主燃焼器メイン燃料
４６を負荷に応じて供給し、主燃焼器パイロット燃料４
５は反対に絞ってゆく。ここで制御装置６５により、排
気温度センサー６４および吐出圧力センサー６２で測定
した温度および圧力に基づいて再熱燃焼器２４内の温度
を演算によって推定し、その推定温度が再熱燃焼器メイ
ン燃料３５の自然着火温度以上になっているかどうかを
監視し、自然着火温度以上となるように再熱燃焼器メイ
ン燃料制御弁５８を開き、再熱燃焼器メイン燃料３５を
供給して自然着火させる。これらの供給燃料４６，３５
は、制御装置６５により負荷状態に応じて流量制御され
る。

【００６３】即ち、制御装置６５では、排気温度センサ
ー６４および吐出圧力センサー６２の検出信号Ｓ₃ ，Ｓ
₁ ならびに負荷信号Ｌが入力され、負荷状態及び再熱燃
焼器着火時期が監視されるとともに、各制御弁５６，５
７，５８の開度信号により、それぞれの開度も監視され
る。そして、全負荷状態となったときに、圧縮機２１の
入口案内翼が開かれ、定格運転が開始する。停止時に
は、これとほぼ逆の操作が行われる。

【００６４】即ち、本実施形態では、着火時に圧縮機２
１の吐出圧力センサー６２からの検出信号Ｓ₁ および低
圧タービン２５の排気温度センサー６４からの検出信号
Ｓ₃より再熱燃焼器２４内の温度を推定し、再熱燃焼器
内推定温度が燃料の自然着火温度以上に達したときに再
熱燃焼器２４の燃料供給を開始するとともに、その停止
時に再熱燃焼器２４内の推定温度が燃料の自然着火温度
以下になる直前に再熱燃焼器２４の燃料供給を停止する
ものである。

【００６５】また、着火時に低圧タービン２５の排気温
度センサー６４からの検出信号および再熱燃焼器内圧力
センサー６３からの検出信号Ｓ₂ より再熱燃焼器内温度
を推定し、再熱燃焼器内推定温度が燃料の自然着火温度
以上に達したときに再熱燃焼器２４の燃料供給を開始す
るとともに、その停止時に再熱燃焼器内推定温度が燃料
の自然着火温度以下になる直前に再熱燃焼器の燃料供給
を停止するものである。

【００６６】また、着火後に圧縮機２１の吐出圧力セン
サー６２からの検出信号Ｓ₁ および低圧タービン２５の
排気温度センサー６４からの検出信号Ｓ₃ より、再熱燃
焼器供給燃料流量を制御するものである。

【００６７】さらに、着火時には低圧タービン２５の排
気温度センサー６４からの検出信号Ｓ₃ および再熱燃焼
器内圧力センサー６３からの検出信号より、再熱燃焼器
供給燃料流量を制御するものである。

【００６８】このような再熱燃焼器２４の供給燃料制御
によって、再熱燃焼器２４の着火時期および消火時期が
明確になり、安定した着火および消火を行わせることが
可能となる。また、自然着火による着火を行うため点火
プラグが不要になり、より高い信頼性が確保できるよう
になる。

【００６９】さらに、再熱燃焼器２４に流入する空気量
に合せた最適の燃料流量を得ることができることから、
部分負荷時の安定した動作を保証することができ、再熱
燃焼燃焼器２４の信頼性を高めることができる。

【００７０】なお、吐出圧力センサー６２からの検出信
号に代え、再熱燃焼器２４の圧力センサー６３からの検
出信号を用いても同様の効果が得られる。

【００７１】即ち、本実施形態による再熱型ガスタービ
ンプラントの再熱燃焼器２４では、この再熱燃焼器２４
に設けられた急拡大部３４で流れが乱され、乱流領域が
形成される。この乱流領域に燃料を供給することによ
り、当該部で行われる燃焼反応の保炎性を高め、燃焼器
ライナー３０内の主流と燃料とを充分に混合することが
てきる。このため、Ｖガッタやスワラー等の流れを乱す
特別な装置を用いることなく燃焼を促進させることがで
きる。しかも、燃焼器ライナー３０内に、その主流と垂
直方向に設置された部品（Ｖガッタ、スワラー、燃料ノ
ズル等）に対する冷却機構が必要なくなることから燃焼
器構造が簡単になり、燃焼器の信頼性を向上させること
ができる。

【００７２】また、急拡大部に形成される乱流領域に旋
回流が生じ、燃焼器ライナー３０内の主流と燃料との混
合をさらに促進することができる。このため、さらに良
好な燃焼特性を有することができる。

【００７３】また、予混合ダクト３９内で生成された希
薄予混合ガスを燃焼室内へ吹き出すことにより、燃焼反
応が希薄予混合燃焼となり、従来のものより燃焼ガスの
低ＮＯｘ化を図ることができる。

【００７４】また、燃焼用空気が外部から送られるの
で、燃焼に必要な酸素を充分に供給でき、主流が一度燃
焼した排気ガスであっても充分に燃焼反応を起こすこと
ができる。

【００７５】また、別置きの高圧圧縮機等の余分な機器
を必要としないという利点もある。

【００７６】実施形態２（図５および図６） 図５は再熱型ガスタービンプラントの再熱燃焼器を縦断
面で示す構成図、図６は図５のＢ−Ｂ線断面図である。

【００７７】これらの図に示すように、本実施形態では
再熱燃焼器２４がアニュラー型構造とされている。この
再熱燃焼器２４も図１に示した前記実施形態１と同様
に、ガスタービンケーシング２６内に順次に配置された
ディフューザー２９、燃焼器ライナー３０およびトラジ
ションピース３１によって構成されている。これらディ
フューザー２９、燃焼器ライナー３０およびトラジショ
ンピース３１の外周側全体が略一定の間隔で燃焼器ケー
シング３２によって覆われている。

【００７８】ディフューザー２９は、高圧タービン２３
からの排出ガス３３を受ける入口部から下流側に向って
一定長の範囲で次第に拡径している。また、燃焼器ライ
ナー３０はディフューザー２９の下流端部よりも径が上
方に向って拡大した形状とされており、その連接部分と
なる鍔状壁が急拡大部３４を構成している。トラジショ
ンピース３１は燃焼器ライナー３０の下流端に接続され
て先細状となっており、その先端は低圧タービン２５側
に接続されている。

【００７９】また、ディフューザー２９の外周側に位置
して、再熱燃焼器２４における燃焼用メイン燃料３５を
供給する燃料供給管３６が設けられている。この燃料供
給管３６は、ガスタービンケーシング２６を外部から貫
通してその内部に導入され、ディフューザー２９の上側
を囲む配置構成とされている。この燃料供給管３６に燃
料ノズル３７が複数、間隔的に設けられ、この各燃料ノ
ズル３７から吹出されるメイン燃料３５が予混合用空気
３８とともに、それぞれ予混合ダクト３９に供給される
ようになっている。

【００８０】予混合ダクト３９は図６に示すように、デ
ィフューザー２９の上方に複数本、等間隔で配設されて
おり、ダクト入口部は燃料ノズル３７に臨む配置でノズ
ル周囲の予混合用空気３８を導入する状態で開口すると
ともに、ダクト出口部は燃焼器ケーシング３２および燃
焼器ライナー３０の急拡大部３４となる立上り壁を貫通
して、燃焼器ライナー３０内に開口し、予混合燃料取出
口４０を構成している。

【００８１】なお、予混合用空気３８は、空気供給管２
７からガスタービンケーシング２６内に供給される予混
合および燃焼器冷却用空気２８の一部である。

【００８２】また、ディフューザー２９，燃焼器ライナ
ー３０およびトラジションピース３１を囲む燃焼器ケー
シング３２には多数の冷却空気孔４１が穿設してあり、
予混合および燃焼器冷却用空気２８の一部が燃焼器冷却
用空気４２として冷却空気孔４１を通り、ディフューザ
ー２９，燃焼器ライナー３０およびトラジションピース
３９の外表面に噴出してこれらを冷却するようになって
いる。

【００８３】このような構成の実施形態２による再熱型
ガスタービンプラントにおいても、前記実施形態１と同
様の作用が行え、これにより燃焼器の信頼性向上、低Ｎ
Ｏｘ化等が図れる。

【００８４】実施形態３（図７） 図７は本実施形態による再熱型ガスタービンプラントの
再熱燃焼器を縦断面で示す構成図である。

【００８５】本実施形態の再熱型ガスタービンプラント
も、実施形態１と同様に、空気を作動流体とし、圧縮
機、主燃焼器、高圧タービン、再熱燃焼器、低圧タービ
ンの順に接続された構成のものである。

【００８６】本実施形態の再熱燃焼器２４は図７に示す
ように、カン型構造とされており、ガスタービンケーシ
ング２６内に順次に配置されたディフューザー２９、燃
焼器ライナー３０およびトラジションピース３１によっ
て構成されている。これらディフューザー２９、燃焼器
ライナー３０およびトラジションピース３１の外周側全
体が略一定の間隔で燃焼器ケーシング３２によって覆わ
れている。

【００８７】ディフューザー２９は高圧タービン２３か
らの排出ガス３３を受ける入口部から下流側に向って一
定長の範囲で次第に拡径している。

【００８８】本実施形態では燃焼器ライナー３０がディ
フューザー２９の下流端部と略同径の筒状とされてお
り、その連接部分には前記各実施形態と異なり急拡大部
は形成されていない。

【００８９】トラジションピース３１は燃焼器ライナー
３０の下流端に接続されて先細状となっており、その先
端は低圧タービン２５側に接続されている。

【００９０】また、ディフューザー２９の外周側に位置
して、再熱燃焼器２４における燃焼用メイン燃料３５を
供給する燃料供給管３６が設けられている。この燃料供
給管３６は、ガスタービンケーシング２６を外部から貫
通してその内部に導入され、ディフューザー２９の外周
側を囲む配置でリング状に構成されている。この燃料供
給管３６のリング状部分に燃料ノズル３７が周方向に沿
って複数、間隔的に設けられ、この各燃料ノズル３７か
ら吹出されるメイン燃料３５が予混合用空気３８ととも
に、それぞれ予混合ダクト３９に供給されるようになっ
ている。

【００９１】予混合ダクト３９は図７に示すように、例
えばディフューザー２９の周囲に複数本、等間隔で同心
円上に配設されており、ダクト入口部は燃料ノズル３７
に臨む配置でノズル周囲の予混合用空気３８を導入する
状態で開口している。そして、この予混合ダクト３９の
ダクト出口部は複数に分岐するとともに緩かな角度で湾
曲して、燃焼器ケーシング３２および燃焼器ライナー３
０の外周壁を貫通して、燃焼器ライナー３０内に突入
し、燃焼器ライナー３０の中心側に向かう複数の予混合
燃料取出口４０を流れ方向に順次に開口させた構成とし
ている。この予混合ダクト３９は、分岐部よりも下流側
の通路に絞り部が形成されている。

【００９２】なお、予混合用空気３８は、空気供給管２
７からガスタービンケーシング２６内に供給される予混
合および燃焼器冷却用空気２８の一部である。

【００９３】また、ディフューザー２９，燃焼器ライナ
ー３０およびトラジションピース３１を囲む燃焼器ケー
シング３２には多数の冷却空気孔４１が穿設してあり、
予混合および燃焼器冷却用空気２８の一部が燃焼器冷却
用空気４２として冷却空気孔４１を通り、ディフューザ
ー２９，燃焼器ライナー３０およびトラジションピース
３９の外表面に噴出してこれらを冷却するようになって
いる。

【００９４】即ち、再熱燃焼器２４に燃料と空気を予混
合させて燃焼器ライナー３０内に予混合ガスを吹き出す
予混合ダクト３９を備え、かつ燃焼器ライナー３０内に
は、その内部の流れに対して垂直方向に設置されて流れ
を乱すような部品を持たない構造となっている。

【００９５】また、再熱燃焼器２４の燃焼器ライナー３
０内の主流は高圧タービンからの排出ガスであり、予混
合用空気３８とメイン燃料３５とがその外部から供給さ
れる。

【００９６】なお、予混合用空気３８は、主燃焼器およ
び高圧タービンを経ないで、圧縮機から直接供給され
る。

【００９７】このような構成の再熱燃焼器２４では、予
混合ダクト３９内で生成された希薄予混合ガスを燃焼室
内へ吹き出すことにより、燃焼室内の燃焼ガスの流れを
高乱流とすることができるため保炎性が良く、また燃焼
器ライナー３０内の主流と予混合ガスとが充分に混合さ
れ、Ｖガッタやスワラー等の流れを乱す特別な装置を用
いることなく燃焼を促進させることができる。しかも、
燃焼器ライナー３０内に、その主流と垂直方向に設置さ
れる部品（Ｖガッタ、スワラー、燃料ノズル等）に対す
る冷却機構も必要なくなることから燃焼器構造が簡単に
なり、燃焼器の信頼性を向上させることができる。ま
た、希薄予混合燃焼を行うことから、従来のものより燃
焼ガスの低ＮＯｘ化を図ることができるという利点が得
られるとともに、Ｖガッタ等がないことから、燃焼器ラ
イナー３０での圧力損失を小さくすることができ、燃焼
器性能の向上が図れるという利点も得られる。

【００９８】また、予混合用空気が外部から送られるの
で酸素を充分に含んだ予混合ガスが作られ、主流が一度
燃焼した排気ガスであっても充分に燃焼反応を起こすこ
とができるとともに、高圧圧縮機等の余分な機器を必要
としないという利点もある。

【００９９】即ち、本実施形態では再熱燃焼器２４内の
流速がディフューザー２９により減速されるため、火炎
が吹き消えない程の適当な流速が確保される一方、再熱
燃焼器ライナー２４内には複数の吹き出し口４０から予
混合ガスが吹き出されるので、燃焼室内ガス流が広範囲
に亘って高乱流となる。したがって、保炎性が良く、ま
た予混合ガスと主流が充分に混合され、Ｖガッタやスワ
ラー等を用いなくても充分に燃焼反応が促進される。

【０１００】また、予混合ガス吹き出し流速が速くなる
ことから予混合ダクトへの逆火が防止できる。さらに、
燃焼器構造が簡単になることから再熱燃焼器の信頼性が
向上し、長期間の安定した動作が期待できる。

【０１０１】また、予混合ダクト３９の出口部分の分岐
部より下流側の通路に絞り部を形成することにより、予
混合ガスの吹き出し流速が速くなる。また、燃焼器ライ
ナー３０内に、高温に曝されるようなその内部流れに対
して垂直方向に設置された部品を設けないようにしてい
るので、燃焼器の構造が簡単なものになる。

【０１０２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、構造が
簡単でかつ良好な燃焼反応を行う再熱燃焼器を持つ再熱
型ガスタービンプラントを提供することができ、また、
環境問題に対応するために、ＮＯｘ濃度の低い燃焼ガス
を発生させる機能を付加することもでき、さらに、上記
問題を解決しつつ、効率的な発電を行える機能を付加す
ることもできるうえ、高い信頼性を保ち、始動および停
止を行うことができる等の効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る再熱型ガスタービンプラントの実
施形態１による再熱燃焼器の構成を示す縦断面図。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。

【図３】本発明に係る再熱型ガスタービンプラントの実
施形態１の全体構成を示す図。

【図４】本発明に係る再熱型ガスタービンプラントの実
施形態１の制御構成を示す系統図。

【図５】本発明に係る再熱型ガスタービンプラントの実
施形態２による再熱燃焼器の構成を示す縦断面図。

【図６】図５のＢ−Ｂ線断面図。

【図７】本発明に係る再熱型ガスタービンプラントの実
施形態３による再熱燃焼器の構成を示す縦断面図。

【図８】従来例としてのシングルサイクルガスタービン
プラントを示す構成図。

【図９】図８に示すサイクルのＰ−Ｖ線図。

【図１０】従来の再熱型ガスタービンプラントを示す構
成図。

【図１１】図９に示すサイクルのＰ−Ｖ線図。

【図１２】従来例による再熱燃焼器の構成を示す縦断面
図。

【図１３】他の従来例による再熱燃焼器の構成を示す縦
断面図。

【図１４】さらに他の従来例による再熱燃焼器の構成を
示す縦断面図。

【符号の説明】

２１ 圧縮機 ２２ 主燃焼器 ２３ 高圧タービン ２４ 再熱燃焼器 ２５ 低圧タービン ２６ ガスタービンケーシング ２７ 空気供給管 ２８ 予混合および燃焼器冷却用空気 ２９ ディフューザー ３０ 燃焼器ライナー ３１ トラジションピース ３２ 燃焼器ケーシング ３３ 排出ガス ３４ 急拡大部 ３５ 燃焼用メイン燃料 ３６ 燃料供給管 ３７ 燃料ノズル ３８ 予混合用空気 ３９ 予混合ダクト ４０ 予混合燃料取出口 ４１ 冷却空気孔 ４２ 燃焼器冷却用空気 ４３ ライナー内主流 ４５ 主燃焼器パイロット燃料 ４６ 主燃焼器メイン燃料 ４７ 発電機 ５１，５２ 放風口 ５３ 分岐管 ５４ 燃料供給管 ５５ 燃料供給管 ５６ 主燃焼器パイロット燃料制御弁 ５７ 主燃焼器メイン燃料制御弁 ５８ 再熱燃焼器メイン燃料制御弁 ５９ 管路（圧縮空気供給用） ６０ 管路（ガス供給用） ６１ 管路（排ガス用） ６２ 吐出圧力センサー ６３ 再熱燃焼器内圧力センサー ６４ 排気温度センサー ６５ 制御装置 ａ 空気

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 // Ｆ２３Ｒ 3/14 Ｆ２３Ｒ 3/14

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気を作動流体とし、圧縮機、主燃焼
   器、高圧タービン、再熱燃焼器、低圧タービンの順に接
   続された再熱型ガスタービンプラントにおいて、前記再
   熱燃焼器の燃焼器ライナー内に燃焼域が急に拡大する急
   拡大部を設け、この急拡大部に再熱燃焼器メイン燃料を
   供給可能としたことを特徴とする再熱型ガスタービンプ
   ラント。
2. 【請求項２】 空気を作動流体とし、圧縮機、主燃焼
   器、高圧タービン、再熱燃焼器、低圧タービンの順に接
   続された再熱型ガスタービンプラントにおいて、燃料と
   空気とを予混合させて前記再熱燃焼器の燃焼器ライナー
   内に予混合ガスを供給する予混合ダクトを設けたことを
   特徴とする再熱型ガスタービンプラント。
3. 【請求項３】 空気を作動流体とし、圧縮機、主燃焼
   器、高圧タービン、再熱燃焼器、低圧タービンの順に接
   続された再熱型ガスタービンプラントにおいて、前記再
   熱燃焼器の燃焼器ライナー内に燃焼域が急に拡大する急
   拡大部を設けるとともに、燃料と空気とを予混合させて
   前記再熱燃焼器の燃焼器ライナー内の急拡大部に予混合
   ガスを供給する予混合ダクトを設けたことを特徴とする
   再熱型ガスタービンプラント。
4. 【請求項４】 請求項１から３までのいずれかに記載の
   再熱型ガスタービンプラントにおいて、再熱燃焼器の燃
   焼器ライナーに設けた急拡大部に、スワラーその他の燃
   焼器内流れに旋回流を生じさせる旋回流発生手段を備え
   たことを特徴とする再熱型ガスタービンプラント。
5. 【請求項５】 請求項２または３に記載の再熱型ガスタ
   ービンプラントにおいて、再熱燃焼器の燃焼器ライナー
   内の主流ガスを高圧タービンからの排出ガスとし、予混
   合用空気および燃料を外部からの供給空気および燃料と
   したことを特徴とする再熱型ガスタービンプラント。
6. 【請求項６】 請求項１から４までのいずれかに記載の
   再熱型ガスタービンプラントにおいて、再熱燃焼器の燃
   焼器ライナー内の主流ガスを高圧タービンからの排出ガ
   スとし、燃焼用空気、再熱燃焼器冷却用空気または燃料
   を外部からの供給空気または燃料としたことを特徴とす
   る再熱型ガスタービンプラント。
7. 【請求項７】 請求項１から４までのいずれかに記載の
   再熱型ガスタービンプラントにおいて、再熱燃焼器の燃
   焼用空気、予混合用空気または再熱燃焼器冷却用空気
   が、主燃焼器または高圧タービンを経ることなく、圧縮
   機から直接供給される空気であることを特徴とする再熱
   型ガスタービンプラント。
8. 【請求項８】 請求項１から７までのいずれかに記載の
   再熱型ガスタービンプラントにおいて、燃料の着火時に
   圧縮機の吐出圧力を検出するセンサーおよび低圧タービ
   ンの排気温度を検出するセンサーを設け、これらのセン
   サーからの信号に基づいて再熱燃焼器内温度を推定し、
   再熱燃焼器内推定温度が燃料の自然着火温度以上に達し
   たときに再熱燃焼器の燃料供給を開始するとともに、運
   転停止時に再熱燃焼器内推定温度が燃料の自然着火温度
   以下になる直前に再熱燃焼器の燃料供給を停止するよう
   にしたことを特徴とする再熱型ガスタービンプラント。
9. 【請求項９】 請求項１から７までのいずれかに記載の
   再熱型ガスタービンプラントにおいて、燃料の着火時に
   低圧タービンの排気温度を検出するセンサーおよび再熱
   燃焼器内の圧力を検出するセンサーを設け、これらのセ
   ンサーからの信号に基づいて再熱燃焼器内温度を推定
   し、再熱燃焼器内推定温度が燃料の自然着火温度以上に
   達したときに再熱燃焼器の燃料供給を開始するととも
   に、運転停止時に再熱燃焼器内推定温度が燃料の自然着
   火温度以下になる直前に再熱燃焼器の燃料供給を停止す
   るようにしたことを特徴とする再熱型ガスタービンプラ
   ント。
10. 【請求項１０】 請求項１から７までのいずれかに記載
    の再熱型ガスタービンプラントにおいて、再熱燃焼器で
    の燃料着火後に圧縮機の吐出圧力を検出するセンサーお
    よび低圧タービンの排気温度を検出するセンサーを設
    け、これらのセンサーからの信号に基づいて再熱燃焼器
    の供給燃料流量を制御するようにしたことを特徴とする
    再熱型ガスタービンプラント。
11. 【請求項１１】 請求項１から７までのいずれかに記載
    の再熱型ガスタービンプラントにおいて、再熱燃焼器で
    の燃料着火後に低圧タービンの排気温度を検出するセン
    サーおよび再熱燃焼器内の圧力を検出するセンサーを設
    け、これらのセンサーからの信号に基づいて再熱燃焼器
    の供給燃料流量を制御するようにしたことを特徴とする
    再熱型ガスタービンプラント。