(57)【要約】【課題】ガスタービン燃焼器で燃焼させる水素含有量が変化する燃料を燃焼させる場合でも、バーナのメタル温度の上昇や燃焼振動の発生を抑制して信頼性を確保するガスタービン燃焼器を提供する。【解決手段】燃料を噴出する複数の燃料ノズル２２と、燃焼室に空気を導く複数の空気孔２１を燃料ノズルに対応して複数列配置した空気孔プレート２０で構成したバーナを備えたガスタービン燃焼器において、１列目の空気孔及び２列目以降の空気孔に対応した各燃料ノズルに燃料を供給する複数の燃料系統をそれぞれ配設し、空気孔プレートの中央部と外周部に複数の温度検出器４０２、４０３を設置し、前記温度検出器で検出した温度の比に基づいて燃焼室に形成される火炎位置を推定し、所望の火炎位置に保持するように燃料ノズルに供給する燃料流量値を演算する制御装置５００を備えて前記複数の燃料系統を通じて供給される各燃料流量を調節するように構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン燃焼器に燃料を噴出する複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルと燃焼室との間に設置されて前記燃焼室に圧縮空気を導く複数の空気孔を前記複数の燃料ノズルに対応して複数列配置した空気孔プレートで構成したバーナを備えたガスタービン燃焼器において、
前記空気孔プレートに形成した１列目の空気孔に対応した燃料ノズルに燃料を供給する第１の燃料系統と、前記空気孔プレートに形成した２列目以降の空気孔に対応した燃料ノズルに燃料を供給する第２の燃料系統をそれぞれ配設し、
前記空気孔プレートに形成した１列目の空気孔よりも中心側となる空気孔プレートの中央部に第１の温度検出器を設置し、
前記空気孔プレートに形成した２列目の空気孔よりも外周側となる空気孔プレートの外周部に第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の比に基づいて前記燃焼室に形成される火炎の現在の火炎位置を推定し、前記推定した火炎位置を所望の火炎位置に保持するように前記ガスタービン燃焼器の前記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、
前記制御装置で演算した燃料流量値に基づいて前記第１の燃料系統及び第２の燃料系統を通じて前記燃料ノズルに供給される各燃料流量をそれぞれ調節するように構成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
前記制御装置は、負荷指令ＭＷＤと実際の発電量ＭＷとの発電量差に基づいて前記燃料ノズルに供給する燃料流量を演算する燃料流量演算器と、前記燃料流量演算器で演算した燃料流量及び第１の温度検出器と第２の温度検出器で検出した温度に基づいて、前記第１の燃料系統及び第２の燃料系統を通じて供給する燃料流量を配分する燃料比率を演算する燃料比率設定器と、前記燃料比率設定器で演算した燃料比率に基づいて前記第１の燃料系統及び第２の燃料系統を通じて供給する燃料流量をそれぞれ設定する第１及び第２の燃料設定器とを備えており、前記第１及び第２の燃料設定器で設定された燃料流量値に基づいて第１の燃料系統及び第２の燃料系統に設置した燃料制御弁を操作して前記燃料ノズルに供給される各燃料流量をそれぞれ調節するように構成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項３】
請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、
前記制御装置の第１及び第２の燃料設定器は、第１の燃料系統及び第２の燃料系統を通じて供給する燃料流量の合計値を一定に保ちながら、前記第１の燃料系統を通じて供給する燃料流量を増加、或いは減少させるように燃料流量値を設定していることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項４】
ガスタービン燃焼器に燃料を噴出する複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルと燃焼室との間に設置されて前記燃焼室に圧縮空気を導く複数の空気孔を前記複数の燃料ノズルに対応して複数列配置した空気孔プレートで構成したバーナとして、ガスタービン燃焼器の軸心側となる中央部に設置した中央バーナと、この中央バーナの外周部に複数個設置した外周バーナとを備え、前記中央バーナの中央に油ノズルを設置したガスタービン燃焼器において、
ガスタービン燃焼器の軸心側となる中央部に設置した前記中央バーナに対応して前記空気孔プレートに形成した空気孔に対応した燃料ノズルに燃料を供給する第１の燃料系統と、
ガスタービン燃焼器の前記中央バーナの外周部に複数個設置した外周バーナに対応して前記空気孔プレートに形成した１列目の空気孔に対応した燃料ノズルに燃料を供給する第２の燃料系統と、
ガスタービン燃焼器の前記外周バーナに対応して前記空気孔プレートに形成した２列目以降の空気孔に対応した燃料ノズルに燃料を供給する第３の燃料系統をそれぞれ配設し、
前記中央バーナに対応する前記空気孔プレートの軸心側の部分に第１の温度検出器を設置し、
前記第１の温度検出器で検出した温度の比に基づいて前記燃焼室に形成される中央バーナ火炎の現在の火炎位置を推定すると共に、前記推定した中央バーナ火炎の火炎位置を所望の火炎位置に保持するように前記ガスタービン燃焼器の前記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、
前記制御装置で演算した燃料流量値に基づいて前記第１の燃料系統を通じて前記中央バーナの燃料ノズルに供給される各燃料流量、第２の燃料系統及び第３の燃料系統を通じて前記外周バーナの前記空気孔プレートに形成した１列目の空気孔に対応した燃料ノズル、及び前記外周バーナの前記空気孔プレートに形成した２列目以降の空気孔に対応した燃料ノズルに供給される各燃料流量をそれぞれ調節するように構成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項５】
請求項４に記載のガスタービン燃焼器において、
前記制御装置は、負荷指令ＭＷＤと実際の発電量ＭＷとの発電量差に基づいて前記燃料ノズルに供給する燃料流量を演算する燃料流量演算器と、前記燃料流量演算器で演算した燃料流量及び第１の温度検出器で検出した温度に基づいて前記第１の燃料系統を通じて前記中央バーナの燃料ノズルに供給する燃料流量を設定する第１の燃料設定器、第２の燃料系統及び第３の燃料系統を通じて前記外周バーナの前記空気孔プレートに形成した１列目の空気孔に対応した燃料ノズル、及び前記外周バーナの前記空気孔プレートに形成した２列目以降の空気孔に対応した燃料ノズルに供給される燃料流量を配分する燃料比率を演算する燃料比率設定器と、前記燃料比率設定器で演算した燃料比率に基づいて前記第１の燃料系統、第２の燃料系統及び第３の燃料系統を通じて供給する燃料流量をそれぞれ設定する第１、第２及び第３の燃料設定器とを備えており、前記第１、第２及び第３の燃料設定器で設定された燃料流量値に基づいて第１の燃料系統、第２の燃料系統及び第３の燃料系統に設置した燃料制御弁を操作して前記燃料ノズルに供給される各燃料流量をそれぞれ調節するように構成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項６】
請求項５に記載のガスタービン燃焼器において、
前記制御装置の第１、第２及び第３の燃料設定器は、第１の燃料系統、第２の燃料系統及び第３の燃料系統を通じて供給する燃料流量の合計値を一定に保ちながら、前記第１の燃料系統を通じて供給する燃料流量を増加、或いは減少させるように燃料流量値を設定していることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービン燃焼器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、発電コスト低減、資源有効利用、地球温暖化防止の観点から、製鉄所で副生するコークス炉ガスや製油所で副生するオフガスなどの水素を含む水素含有燃料を燃料として有効利用することが検討されている。
【０００３】
水素含有燃料は燃焼の際に、地球温暖化の原因となる二酸化炭素(Carbon Dioxide:ＣＯ２)の排出量が少ないため、地球温暖化防止策として有効である。
【０００４】
また、豊富な資源である石炭をガス化して発電する石炭ガス化複合発電プラント(Integrated coal Gasification Combined Cycle:ＩＧＣＣ)では、ガスタービンに供給される水素含有燃料中の炭素分を回収・貯留するシステム(Carbon Capture and Storage:ＣＣＳ)により、ＣＯ２排出量を削減する方策も検討されている。このようにガスタービン発電において水素含有燃料を利用する機運が高まっている。
【０００５】
上記の燃料に含有される水素は可燃範囲が広く燃焼速度が速いため、ガスタービン燃焼器の燃焼室内の壁面近傍で高温の火炎が形成されて、ガスタービン燃焼器の信頼性が損なわれることが懸念される。
【０００６】
そこで、高温の火炎が局所的に形成されることを防止する手段として、燃料を分散させてガスタービン燃焼器の燃焼室内で均一に燃焼させる方法が有効である。
【０００７】
燃料の分散性を高めて高温の火炎の形成を防止し、ＮＯｘ排出量を低減する方法として、特開２００３−１４８７３４号公報は、複数の燃料ノズルと複数の空気孔を備え、燃料流、および燃料流の周囲に形成された空気流を燃焼室に噴射するバーナを複数個配置したガスタービン燃焼器に関する技術を開示している。
【０００８】
高湿分利用ガスタービンに用いられるガスタービン燃焼器として、特開２００８−１４４６７１号公報は、燃料を噴霧する多数の燃料ノズルと、空気孔プレートに形成され、これらの燃料ノズルにそれぞれ対応した多数の空気孔とで燃料バーナを構成し、増湿に伴う燃焼不安定性によって燃焼部の火炎が空気プレートの端面から浮き上がる現象の発生の状態を、前記空気孔プレートに設置した複数の熱電対で検出したメタル温度と燃焼用空気の供給系統に設置した温度計で検出した空気温度とから燃焼室内に形成されるＦ１〜Ｆ４の燃焼部の状態から判断して、前記Ｆ１〜Ｆ４の各燃焼部に供給する燃料流量をそれぞれ制御し、火炎を安定に維持すると共にＮＯｘの発生を抑制したガスタービン燃焼器に関する技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１４８７３４号公報
【特許文献２】特開２００８−１４４６７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで製鉄所等で副生する副生ガスは水素を３０％〜６０％、ＩＧＣＣプラントの燃料である石炭ガス化ガスは水素を２５％〜９０％含み、製鉄所やＩＧＣＣプラントの運転条件に応じてこれらの副生ガスや石炭ガス化ガスの水素含有燃料の組成は幅広く変化する。
【００１１】
このような水素含有燃料を前記特開２００３−１４８７３４号公報に開示されたガスタービン燃焼器のバーナで燃焼させると、ガスタービン燃焼器の燃焼室内に形成される火炎の状態が大きく変化する。
【００１２】
特に水素含有燃料の水素濃度が増加すると燃焼室内に形成する火炎がバーナに接近する傾向にあり、バーナのメタル温度が上昇したり、燃焼振動が発生したりする可能性があるため、ガスタービン燃焼器のバーナの信頼性が低下する。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、ガスタービン燃焼器で燃焼させる水素含有燃料の組成が幅広く変化する燃料を燃焼させる場合でも、バーナのメタル温度の上昇や燃焼振動の発生を抑制してバーナの信頼性を確保することが可能なガスタービン燃焼器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のガスタービン燃焼器は、ガスタービン燃焼器に燃料を噴出する複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルと燃焼室との間に設置されて前記燃焼室に圧縮空気を導く複数の空気孔を前記複数の燃料ノズルに対応して複数列配置した空気孔プレートで構成したバーナを備えたガスタービン燃焼器において、
前記空気孔プレートに形成した１列目の空気孔に対応した燃料ノズルに燃料を供給する第１の燃料系統と、前記空気孔プレートに形成した２列目以降の空気孔に対応した燃料ノズルに燃料を供給する第２の燃料系統をそれぞれ配設し、前記空気孔プレートに形成した１列目の空気孔よりも中心側となる空気孔プレートの中央部に第１の温度検出器を設置し、前記空気孔プレートに形成した２列目の空気孔よりも外周側となる空気孔プレートの外周部に第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の比に基づいて前記燃焼室に形成される火炎の現在の火炎位置を推定し、前記推定した火炎位置を所望の火炎位置に保持するように前記ガスタービン燃焼器の前記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、前記制御装置で演算した燃料流量値に基づいて前記第１の燃料系統及び第２の燃料系統を通じて前記燃料ノズルに供給される各燃料流量をそれぞれ調節するように構成したことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明のガスタービン燃焼器は、ガスタービン燃焼器に燃料を噴出する複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルと燃焼室との間に設置されて前記燃焼室に圧縮空気を導く複数の空気孔を前記複数の燃料ノズルに対応して複数列配置した空気孔プレートで構成したバーナとして、ガスタービン燃焼器の軸心側となる中央部に設置した中央バーナと、この中央バーナの外周部に複数個設置した外周バーナとを備え、前記中央バーナの中央に油ノズルを設置したガスタービン燃焼器において、ガスタービン燃焼器の軸心側となる中央部に設置した前記中央バーナに対応して前記空気孔プレートに形成した空気孔に対応した燃料ノズルに燃料を供給する第１の燃料系統と、ガスタービン燃焼器の前記中央バーナの外周部に複数個設置した外周バーナに対応して前記空気孔プレートに形成した１列目の空気孔に対応した燃料ノズルに燃料を供給する第２の燃料系統と、ガスタービン燃焼器の前記外周バーナに対応して前記空気孔プレートに形成した２列目以降の空気孔に対応した燃料ノズルに燃料を供給する第３の燃料系統をそれぞれ配設し、前記中央バーナに対応する前記空気孔プレートの軸心側の部分に第１の温度検出器を設置し、前記第１の温度検出器で検出した温度の比に基づいて前記燃焼室に形成される中央バーナ火炎の現在の火炎位置を推定すると共に、前記推定した中央バーナ火炎の火炎位置を所望の火炎位置に保持するように前記ガスタービン燃焼器の前記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、前記制御装置で演算した燃料流量値に基づいて前記第１の燃料系統を通じて前記中央バーナの燃料ノズルに供給される各燃料流量、第２の燃料系統及び第３の燃料系統を通じて前記外周バーナの前記空気孔プレートに形成した１列目の空気孔に対応した燃料ノズル、及び前記外周バーナの前記空気孔プレートに形成した２列目以降の空気孔に対応した燃料ノズルに供給される各燃料流量をそれぞれ調節するように構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ガスタービン燃焼器で燃焼させる水素含有燃料の組成が幅広く変化する燃料を燃焼させる場合でも、バーナメタル温度の上昇や燃焼振動の発生を抑制してバーナの信頼性を確保することが可能なガスタービン燃焼器が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの概略構成を示す構成図。
【図２Ａ】図１に示した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器を構成するバーナの構造を示す縦断面図。
【図２Ｂ】図１に示した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器を構成するバーナを燃焼室から見た正面図。
【図３Ａ】図１に示した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器のバーナ下流の燃焼室に形成される火炎の状況を示す概略説明図。
【図３Ｂ】図１に示した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器のバーナのメタル温度の比Ｒと火炎位置Ｌ３の関係を示す関係図。
【図４】図１に示した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器のバーナ下流の燃焼室に形成される火炎とガスタービン負荷に対する火炎理想位置の変化の一例を示す関係図。
【図５】図１に示した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器に供給する燃料流量を制御する燃料流量制御装置を示す制御ブロック図。
【図６Ａ】図５に示した本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器に供給する燃料流量の制御装置による燃料流量の制御方法の一例であって、温度比Ｒ（＝Ｔ３／Ｔ２）の時間変化を示す説明図。
【図６Ｂ】図５に示した本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器に供給する燃料流量の制御装置による燃料流量の制御方法の一例であって、Ｆ２燃料、Ｆ３燃料の流量の時間変化を示す説明図。
【図７】本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの概略構成を示す構成図。
【図８Ａ】図７に示した本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器のバーナ下流の燃焼室に形成される火炎の状況を示す概略説明図。
【図８Ｂ】図７に示した本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器のバーナのメタル温度Ｔ１と火炎位置Ｌ１の関係を示す関係図。
【図９】図７に示した本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器に供給する燃料流量を制御する燃料流量制御装置を示す制御ブロック図。
【図１０Ａ】図９に示した本発明の第２実施例のガスタービン燃焼器に供給する燃料流量の制御装置による燃料流量の制御方法の一例であって、温度Ｔ１の時間変化を示す説明図。
【図１０Ｂ】図９に示した本発明の第２実施例のガスタービン燃焼器に供給する燃料流量の制御装置のよる燃料流量の制御方法の一例であって、Ｆ１燃料、Ｆ２＋Ｆ３燃料の流量の時間変化を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施例であるガスタービン燃焼器について図面を引用して説明する。
【実施例１】
【００１９】
本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器について図１〜図６を用いて説明する。
【００２０】
まず、本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの構成について図１を用いて説明する。図１は本実施例のガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの概略構成図を示している。
【００２１】
図１に示したガスタービン燃焼器３を備えたガスタービンプラント１において、ガスタービンプラント１は、主に空気を圧縮する空気圧縮機２と、空気圧縮機２から供給された圧縮空気と燃料とを混合して燃焼し高温の燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器３と、このガスタービン燃焼器３で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービン４と、このタービン４によって駆動され、発電する発電機６から構成されている。
【００２２】
前記ガスタービンプラント１では次のようにして発電を行っている。即ち、空気圧縮機２で大気より空気１０１を吸入して圧縮し、この空気圧縮機２で圧縮した圧縮空気１０２をガスタービン燃焼器３に供給する。尚、空気圧縮機２には起動時に空気圧縮機２を回転させる起動用モータ７を備えている。
【００２３】
本実施例のガスタービン燃焼器３では、空気圧縮機２から供給された圧縮空気１０２と、燃料として燃料系統２００ａを通じて供給されたガス燃料２００とを混合して燃焼させ、高温の燃焼ガス１１０を生成する。
【００２４】
ガスタービン燃焼器３で発生した高温の燃焼ガス１１０はタービン４に供給され、前記タービン４はこの燃焼ガス１１０により駆動される。そして、タービン４の駆動によって、該タービン４に連結された発電機６を回転して発電を行う。
【００２５】
ガスタービン燃焼器３には、空気圧縮機２で圧縮した圧縮空気１０２と、燃料系統２００ａを通じて供給されたガス燃料２００を分配して燃料系統２０２ａを通じて供給されたガス燃料２０２及び燃料系統２０３ａを通じて供給された２０３とを混合し、これらの混合ガスを燃焼室５に噴射して燃焼させるバーナ８を備えている。
【００２６】
本実施例のガスタービン燃焼器３を構成する前記バーナ８は、ガスタービン燃焼室５に空気圧縮機２から供給された圧縮空気１０２ａを導くための空気孔２１を複数個設けた円盤状の空気孔プレート２０と、燃料系統２００ａを通じて供給されたガス燃料２００を分配して燃料系統２０２ａ、２０３ａを通じて供給されたガス燃料２０２及び２０３を前記空気孔プレート２０に設けた空気孔２１内に向けて噴射する複数の燃料ノズル２２から構成されている。
【００２７】
前記バーナ８を構成する前記空気孔プレート２０の設けた複数の空気孔２１と、複数の燃料ノズル２２とは、一つの空気孔２１に一つの燃料ノズル２２をそれぞれ対応させて配置した構成となっている。
【００２８】
前記バーナ８を構成する前記空気孔プレート２０に設けられた複数個の空気孔２１は、図２Ａ及びｚｙ２Ｂにも示したように、ガスタービン燃焼器３の軸を中心とする複数の同心円上に配置されており、本実施例のガスタービン燃焼器３では、３列（バーナ中心側から外側に向けて、バーナ中心側の１列目空気孔５１、１列目空気孔５１よりも外側の２列目空気孔５２、及び２列目空気孔５２よりも外側の３列目空気孔５３）の空気孔群から構成されている。
【００２９】
本実施例のガスタービン燃焼器３の前記バーナ８を構成する複数の燃料ノズル２２は、図１に示すように、その上流側で燃料分配器２３と連結しており、燃料分配器２３によって燃料系統２００ａを通じて供給されたガス燃料２００は、燃料系統２００ａから分岐された燃料系統２０２ａ、２０３ａを通じてそれぞれ供給されたガス燃料２０２、２０３を前記バーナ８を構成する複数の燃料ノズル２２に分配する。
【００３０】
ガス燃料２００は燃料系統２００ａに設けた燃料遮断弁６０の下流側で２つに分岐し、燃料系統２０２ａ、２０３ａを通じて前記バーナ８を構成する燃料分配器２３に供給されるが、分岐した一方の燃料系統２０２ａに設けた燃料制御弁６２、及び分岐した他方の燃料系統２０３ａに設けた燃料制御弁６３によって前記燃料系統２０２ａ、２０３ａを通じて前記複数の燃料ノズル２２に供給されるガス燃料２０２、２０３の供給量がそれぞれ調節されている。
【００３１】
そして、燃料系統２０２ａを通じて供給されたガス燃料２０２は、前記１列目空気孔５１に対応する燃料ノズル２２に、燃料系統２０３ａを通じて供給されたガス燃料２０３は、前記２列目空気孔５２と３列目空気孔５３に対応する燃料ノズル２２にそれぞれ供給される。
【００３２】
このように本実施例のガスタービン燃焼器３では、バーナ８を構成する複数の燃料ノズル２２に供給するガス燃料２００を燃料系統２０２ａ、２０３ａの２系統に分配したが、それ以上の数の燃料系統に分配してもよい。
【００３３】
上記した本実施例のガスタービン燃焼器３のように燃料系統を複数に分配する構成にすれば、燃料供給系統数の増加に伴ってガスタービン燃焼器３の運転の自由度を拡大できる。
【００３４】
本実施例のガスタービン燃焼器３では、燃焼するガス燃料２００として、コークス炉ガスや製油所オフガス、石炭ガス化ガスなどの水素含有燃料を使用でき、液化天然ガス（Liquefied Natural Gas:ＬＮＧ）をはじめとするすべてのガス燃料にも適用できる。
【００３５】
図１に示したように、本実施例のガスタービン燃焼器３において、バーナ８を構成する空気孔プレート２０に形成した１列目空気孔５１よりも中心側となる空気孔プレート２０の中央部に温度を検出する熱電対４０２が設置され、空気孔プレート２０の２列目空気孔５２と３列目空気孔５３との間となる空気孔プレート２０の空気孔間隙部に、温度を検出する熱電対４０３が設置されている。
【００３６】
そして前記熱電対４０２、４０３で検出した温度の信号を燃料流量制御装置５００に入力し、前記燃料流量制御装置５００で演算処理された制御信号によって燃料系統２０２ａ、２０３ａに設置した燃料制御弁６２、６３の開度を操作して、ガスタービン燃焼器３のバーナ８を構成する複数の燃料ノズル２２に供給するガス燃料２０２、２０３の流量をそれぞれ制御する。
【００３７】
図２Ａは図１に示した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器を構成するバーナの構造を示す縦断面図であり、図２Ｂは図１に示した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器を構成するバーナを燃焼室から見た正面図である。
【００３８】
図２Ａ及び図２Ｂに示したように、熱電対４０２はバーナの中央部となる空気孔プレート２０の中央部に、熱電対４０３は２列目空気孔５２と３列目空気孔５３の間となる空気孔プレート２０の空気孔間隙部にそれぞれ設置されている。
【００３９】
熱電対４０２、４０３を設置する空気孔プレート２０の前記中央部及び空気孔間隙部には、燃料ノズル２２に面した空気孔プレートエンドカバー側表面３００から直径１．２ｍｍの熱電対挿入孔４１０がそれぞれ形成されており、前記空気孔プレート２０の空気孔プレートエンドカバー側表面３００の丁度裏面となる空気孔プレート燃焼室側表面３０１では、表面から２．０ｍｍの位置にまで熱電対挿入孔４１０が達している。
【００４０】
前記空気孔プレート２０に形成する熱電対挿入孔４１０の加工は、空気孔プレートエンドカバー側表面３００から空気孔プレート２０をドリルで加工できるほかに、貫通孔を形成した後に空気孔プレート燃焼室側表面３０１を溶接によって閉止することでも加工できる。
【００４１】
そして、この空気孔プレート２０を加工して形成した熱電対挿入孔４１０に、空気孔プレートエンドカバー側表面３００から直径１．０ｍｍの熱電対４０２、４０３をそれぞれ挿入し、熱電対４０２、４０３の先端を熱電対挿入孔４１０の最深部に到達させた後に前記熱電対４０２、４０３の内部に固定する。
【００４２】
熱電対挿入孔４１０の内部に設置された前記熱電対４０２、４０３の先端は、ガスタービン燃焼器３に設けた燃焼室５に面した空気孔プレート燃焼室側表面３０１の表面から２．０ｍｍの位置にまで達しており、前記熱電対４０２、４０３の先端が空気孔プレート２０のメタルに接しているため、熱電対４０２、４０３で検出した温度は空気孔プレート燃焼室側表面３０１のメタル温度に近い温度を示し、ガスタービン燃焼器３の燃焼室５内に形成される火炎の温度を間接的に計測できる。
【００４３】
また、前記熱電対４０２、４０３はガスタービン燃焼器３の燃焼室５内に形成される高温の火炎に接触することが無いため、溶損の恐れがなく高い信頼性を確保できる。
【００４４】
そして、前記熱電対４０２、４０３で検出した温度信号を取り出して燃料流量制御装置５００に入力するようにして温度を計測する。
【００４５】
図３Ａは図１に示した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器のバーナ下流の燃焼室に形成される火炎の状況を示す概略説明図である。
【００４６】
図３Ａにバーナ下流の燃焼室５内に形成される火炎の概略図を示したように、本実施例のガスタービン燃焼器３のバーナ８において、水素含有燃料のような燃焼速度の速い火炎が逆流することを抑制するため、燃焼室５内に形成される火炎は、点Ｐｏを火炎の基点として空気孔プレート２０の空気孔プレート燃焼室側表面３０１から離れた位置に浮上円錐火炎１６０を形成する。
【００４７】
本実施例のガスタービン燃焼器３に備えたバーナ８の信頼性と火炎安定性の確保のため、燃焼室５内に形成される浮上円錐火炎１６０の位置を理想火炎位置Ｐｉとすると、火炎をこの理想火炎位置Ｐｉに保持する必要があるが、火炎位置は種々の外乱によって変化する。
【００４８】
例えば、バーナ外周側の火炎が前記理想火炎位置Ｐｉよりも上流に移動してバーナ８に接近すると、バーナ８のメタル温度の上昇や、圧力変動の発生のため、バーナ信頼性が低下する可能性がある。
【００４９】
ここで、バーナ信頼性を確保できる最上流火炎位置をＰｕとし、その位置の火炎を、破線で示した最上流位置の火炎１６１とする。
【００５０】
一方、バーナ外周側の火炎が前記理想火炎位置Ｐｉよりも下流に移動してバーナ８から離れると、火炎を保持するために必要な循環ガス８０の量が減少し火炎安定性が低下する。
【００５１】
ここで、火炎安定性を確保できる最下流火炎位置をＰｄとし、その位置の火炎を、破線で示した最下流位置の火炎１６２とする。
【００５２】
熱電対４０２を設置した空気孔プレート２０の空気孔プレート燃焼室側表面３０１の位置から火炎の起点となる点Ｐｏまでの距離をＬ２とする。また、熱電対４０３を設置した空気孔プレート２０の空気孔プレート燃焼室側表面３０１の位置からその下流の火炎位置までの距離をＬ３、最上流火炎位置Ｐｕの火炎までの距離をＬ３ｕ、最下流火炎位置Ｐｄの火炎までの距離をＬ３ｄとする。
【００５３】
そして、空気孔プレート２０に設置した熱電対４０２、４０３で検出した温度をそれぞれＴ２、Ｔ３とし、その比ＲをＲ＝Ｔ３／Ｔ２とする。
【００５４】
図３Ｂは図１に示した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器３に設置したバーナ８を構成する空気孔プレート２０に設置した熱電対４０２、４０３で検出したメタルの温度Ｔ２、Ｔ３の温度比Ｒ（Ｒ＝Ｔ３／Ｔ２）と、火炎位置Ｌ３の関係を示す関係図である。
【００５５】
図３Ｂに示したように、温度比Ｒと火炎位置Ｌ３の関係を示す。火炎位置Ｌ３に応じて本実施例のガスタービン燃焼器３のバーナ８のメタル温度の比Ｒ（Ｒ＝Ｔ３／Ｔ２）は変化する。火炎が理想位置にある場合（Ｌ３＝Ｌ３ｉ）、温度比Ｒ＝Ｔ３／Ｔ２＝Ａｉとする。
【００５６】
火炎が最上流にある場合（Ｌ３＝Ｌ３ｕ）は、熱電対４０３で検出した温度Ｔ３の温度は上昇して温度比Ｒ＝Ａｕの値となり、火炎が最下流にある場合（Ｌ３＝Ｌ３ｄ）は、熱電対４０３で検出した温度Ｔ３の温度は低下して温度比Ｒ＝Ａｄの値となる。尚、温度比ＲはＡｄ≦Ｒ≦Ａｕの範囲で変化する必要がある。
【００５７】
本実施例のガスタービン燃焼器３では、温度比Ｒが、Ａｄ≦Ｒ≦Ａｕの範囲外となった場合に、図３Ｂに示した関係を基に、本実施例のガスタービン燃焼器３の燃焼室５内に形成される火炎の現在の火炎位置を推定し、燃料流量制御装置５００によって、燃焼室５内に形成される火炎位置が理想位置のＬ３＝Ｌ３ｉとなる温度比Ｒ＝Ｔ３／Ｔ２＝Ａｉの値となるように、本実施例のガスタービン燃焼器３のバーナ８に供給されるガス燃料２０２、２０３の流量を制御する。
【００５８】
尚、図３Ａに示した燃焼室５内に形成される火炎の理想火炎位置Ｐｉはガスタービン負荷（負荷指令ＭＷＤと実際の発電量ＭＷとの差）に応じて変化する。
【００５９】
図４は本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器３において、ガスタービン負荷に対するバーナ８の空気孔プレート２０の表面から理想位置にある火炎までの距離Ｌ３ｉの変化の一例を示したものである。
【００６０】
図４に示したように、バーナ８の空気孔プレート２０の表面から理想位置にある火炎までの距離Ｌ３ｉはガスタービン負荷とともに増加する。ガスタービン負荷が低い条件では、燃焼安定性の確保が重要であり、火炎をバーナ付近で保持し燃焼安定性を確保する。
【００６１】
一方、ガスタービン負荷が高い条件では、火炎がバーナ８に接近する傾向にあり、バーナ信頼性の確保が重要であるため、火炎をバーナ８からより離れた位置で保持しバーナ信頼性を確保する。以下では、ガスタービン負荷をある一定値に保持した条件で説明する。
【００６２】
図５に本実施例のガスタービン燃焼器３に供給する燃料流量を制御する燃料流量制御装置５００の構成である制御ブロック図を示す。
【００６３】
図５において、本実施例のガスタービン燃焼器３の前記燃料流量制御装置５００は、主に減算器５０１、燃料流量演算器５０２、燃料比率設定器５０３、および燃料系統２０２ａ、２０３ａを通じて供給するガス燃料２０２（以下、Ｆ２燃料と称する）の流量を設定するＦ２燃料設定器１５２、ガス燃料２０３（以下、Ｆ３燃料と称する）の流量を設定するＦ３燃料設定器１５３から構成されている。
【００６４】
本実施例のガスタービン燃焼器３の燃料流量制御装置５００では、次のようにして燃料系統２０２ａ、２０３ａに設置した燃料制御弁６２、６３の開度を操作して、ガスタービン燃焼器３のバーナ８を構成する複数の燃料ノズル２２に燃料系統２０２ａ、２０３ａを通じて供給するガス燃料２０２、２０３の流量をそれぞれ制御する。
【００６５】
燃料流量制御装置５００に備えられた減算器５０１は、予め定めたガスタービンに対する発電量増加率に従うように与えた負荷指令ＭＷＤと、発電機６の出力である実際の発電量ＭＷから両者の発電量の差を演算する。
【００６６】
燃料流量制御装置５００に備えられた燃料流量演算器５０２は、前記減算器５０１で演算した負荷指令ＭＷＤと実際の発電量ＭＷとの発電量差に基づいて、この発電量差を無くすのに必要な燃料流量を演算する。
【００６７】
燃料流量制御装置５００に備えられた燃料比率設定器５０３は、前記燃料流量演算器５０２で演算した燃料流量の演算値、およびバーナ８の空気孔プレート２０に設置した熱電対４０２、４０３で検出した温度Ｔ２、Ｔ３に基づき、図３Ｂに示したように、燃焼室５内に形成される火炎位置が理想位置のＬ３＝Ｌ３ｉとなる温度比Ｒ＝Ｔ３／Ｔ２＝Ａｉの値となるように、燃料系統２０２ａ、２０３ａを通じて供給するガス燃料２０２、２０３の流量を配分する燃料比率を演算する。
【００６８】
燃料流量制御装置５００に備えられたＦ２燃料設定器１５２及びＦ３燃料設定器１５３は、前記燃料比率設定器５０３で演算した燃料比率の演算値に基づき、ガス燃料２０２、２０３の燃料流量をそれぞれ設定し、そして前記Ｆ２燃料設定器１５２及びＦ３燃料設定器１５３で設定した燃料流量値に基づいて燃料系統２０２ａ、２０３ａを通じて供給するガス燃料２０２、２０３の流量が調節できるように、前記Ｆ２燃料設定器１５２及びＦ３燃料設定器１５３から出力された操作信号で燃料系統２０２ａ、２０３ａに設置した燃料制御弁６２、６３の開度を操作して、ガスタービン燃焼器３のバーナ８を構成する複数の燃料ノズル２２に供給するガス燃料２０２、２０３の流量を制御する。
【００６９】
この結果、ガスタービン燃焼器３の燃焼室５内に形成される火炎位置が、理想位置のＬ３＝Ｌ３ｉとなるガスタービン燃焼器３のバーナ８のメタル温度の比である温度比Ｒ（Ｒ＝Ｔ３／Ｔ２）の値を理想点Ａｉに制御することが可能となる。
【００７０】
次に、本実施例のガスタービン燃焼器３のバーナ８を構成する複数の燃料ノズル２２に供給するガス燃料２０２、２０３の流量の制御方法を図５に示した燃料流量の制御装置５００、及び図６Ａ及び図６Ｂを用いて説明する。
【００７１】
図６Ａは図５に示した本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器に供給する燃料流量の制御装置による燃料流量の制御方法の一例であって、熱電対４０２、４０３で検出した温度Ｔ２、Ｔ３の温度比Ｒ（＝Ｔ３／Ｔ２）の時間変化を示す説明図であり、図６Ｂは図５に示した本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器に供給する燃料流量の制御装置による燃料流量の制御方法の一例であって、Ｆ２燃料、Ｆ３燃料の流量の時間変化を示す説明図である。
【００７２】
図６Ａ及び図６Ｂに示したように、ガスタービン燃焼器３の運転時間ｔにおいて、時間ｔ＝ｔｕ１におけるガスタービン燃焼器３の燃焼室５内に形成される火炎が理想位置にある状態（Ｒ＝Ａｉ）から、時間ｔがｔｕ１からｔｕ２に近づくにつれて温度比Ｒは増加し、時間ｔ＝ｔｕ２で、ガスタービン燃焼器３の燃焼室５内に形成される火炎が最上流位置にある状態（温度比Ｒ＝Ａｕ）に達する。
【００７３】
温度比ＲがＡｕよりも大きくなると、バーナ８のメタル温度の上昇や、圧力変動の発生のため、バーナ信頼性が低下する可能性がある。
【００７４】
そこで、熱電対４０２、４０３が検出したメタル温度Ｔ２、Ｔ３に基づいて温度比Ｒ（Ｒ＝Ｔ３／Ｔ２）が、燃焼室５内に形成される火炎が理想位置にある状態となるＲ＝Ａｉの値となるように、図５に示した燃料流量制御装置５００の演算制御によって、燃料比率設定器５０３によってガス燃料２０２、２０３の流量を配分する燃料比率の設定信号を演算し、Ｆ２燃料設定器１５２及びＦ３燃料設定器１５３に演算した燃料比率の設定信号を出力する。
【００７５】
Ｆ２燃料設定器１５２及びＦ３燃料設定器１５３では、燃料比率設定器５０３から出力された燃料比率の設定信号に基づいて、Ｆ２燃料とＦ３燃料の流量の合計を一定に保持しながら、燃料系統２０２ａに設置した燃料制御弁６２の開度が大きくなるように操作して、燃料系統２０２ａを通じてガスタービン燃焼器３のバーナ８を構成する複数の燃料ノズル２２に供給するＦ２燃料流量を増加させるように制御する。
【００７６】
同時に、燃料系統２０３ａに設置した燃料制御弁６３の開度が小さくなるように操作して、燃料系統２０３ａを通じてガスタービン燃焼器３のバーナ８を構成する複数の燃料ノズル２２に供給するＦ３燃料流量を減少させるように制御する。
【００７７】
上記した燃料流量制御装置５００による演算制御の結果、図６Ａ及び図６Ｂに示したように、ガスタービン燃焼器３の運転時間が時間ｔ＝ｔｕ３では、ガスタービン燃焼器３のバーナ８の外周の火炎の燃焼速度が減少するため、ガスタービン燃焼器３の燃焼室５内に形成される火炎の位置は、図３Ａに燃焼室５内の火炎位置の状態を示した最上流位置にある最上流火炎位置Ｐｕの状態から下流側に移動して、理想火炎位置Ｐｉに定着することになる。
【００７８】
一方、ガスタービン燃焼器３の運転時間ｔがｔｕ３からｔｄ１を経過すると、時間ｔ＝ｔｄ１におけるガスタービン燃焼器３の燃焼室５内に形成される火炎が理想位置にある状態（Ｒ＝Ａｉ）から、時間ｔがｔｄ１を経過するにつれて温度比Ｒは減少し、時間ｔ＝ｔｄ２で、ガスタービン燃焼器３の燃焼室５内に形成される火炎が最下流位置にある状態（温度比Ｒ＝Ａｄ）に達する。
【００７９】
温度比ＲがＡｄよりも小さくなると、ガスタービン燃焼器３の燃焼室５内で火炎を保持するために必要な循環ガス量が減少して火炎安定性が低下する可能性がある。
【００８０】
そこで、熱電対４０２、４０３が検出したメタル温度Ｔ２、Ｔ３に基づいてメタル温度比Ｒ（Ｒ＝Ｔ３／Ｔ２）がＡｉになるように、図５に示した燃料流量制御装置５００の演算制御によって、燃料比率設定器５０３によってガス燃料２０２、２０３の流量を配分する燃料比率の設定信号を演算し、Ｆ２燃料設定器１５２及びＦ３燃料設定器１５３に演算した燃料比率の設定信号を出力する。
【００８１】
Ｆ２燃料設定器１５２及びＦ３燃料設定器１５３では、燃料比率設定器５０３から出力された燃料比率の設定信号に基づいて、Ｆ２燃料とＦ３燃料の流量の合計を一定に保持しながら、燃料系統２０２ａに設置した燃料制御弁６２の開度が小さくなるように操作して、燃料系統２０２ａを通じてガスタービン燃焼器３のバーナ８を構成する複数の燃料ノズル２２に供給するＦ２燃料流量を減少させるように制御する。
【００８２】
同時に、燃料系統２０３ａに設置した燃料制御弁６３の開度が大きくなるように操作して、燃料系統２０３ａを通じてガスタービン燃焼器３のバーナ８を構成する複数の燃料ノズル２２に供給するＦ３燃料流量を増加させるように制御する。
【００８３】
上記した燃料流量制御装置５００による演算制御の結果、図６Ａ及び図６Ｂに示したように、時間ｔ＝ｔｄ３では、ガスタービン燃焼器３のバーナ８の火炎の燃焼速度が増加するため、ガスタービン燃焼器３の燃焼室５内に形成される火炎の位置は、図３Ａに燃焼室５内の火炎位置の状態を示した最下流位置にある最下流火炎位置Ｐｄの状態から上流側に移動して、理想火炎位置Ｐｉに定着することになる。
【００８４】
上記した本実施例のガスタービン燃焼器３では、バーナメタル温度の検出値から現在の火炎位置を推定し、火炎が理想位置に定在するようにバーナに供給する燃料流量を制御することによりバーナ信頼性を確保できる。
【００８５】
したがって本実施例によれば、ガスタービン燃焼器で燃焼させる水素含有燃料の組成が幅広く変化する燃料を燃焼させる場合でも、バーナメタル温度の上昇や燃焼振動の発生を抑制してバーナの信頼性を確保することが可能なガスタービン燃焼器が実現できる。
【実施例２】
【００８６】
本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器について図７〜図１０を用いて説明する。
【００８７】
図７〜図１０に示した本実施例のガスタービン燃焼器は、図１〜図６に示した第１実施例のガスタービン燃焼器と基本的な構成は同じであるので、両者に共通した説明は省略し、相違する部分について以下に説明する。
【００８８】
本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの構成について図７を用いて説明する。図７は本実施例のガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの概略構成図を示している。
【００８９】
図７に示した本実施例のガスタービン燃焼器３は、図１に示した第１実施例のバーナ８を複数個配置した構成にしてガスタービン燃焼器３に適用した実施例である。
【００９０】
図７に示したガスタービン燃焼器３を備えたガスタービンプラント１において、本実施例のガスタービン燃焼器３では、ガスタービン燃焼器３のバーナ８として、バーナ８の中央部に中央バーナ３２を１個、中央バーナ３２の外周部に外周バーナ３３を複数個（本実施例では例えば６個）配置した場合を示している。そして、前記中央バーナ３２の軸心中央には油燃焼用の油ノズル４０が備えられている。
【００９１】
さらに、前記中央バーナ３２の油燃焼用の油ノズル４０に起動用油燃料２１０を供給する燃料系統２１０ａが配設されており、この燃料系統２１０ａに燃料遮断弁６５と、該燃料系統２１０ａを通じて前記油ノズル４０に供給される起動用燃料２１０の供給量を調節する燃料制御弁６６が設けられている。
【００９２】
中央バーナ３２の油燃焼用の油ノズル４０に供給する起動用燃料２１０としては、軽油、灯油、Ａ重油などの油燃料を使用する。
【００９３】
本実施例のガスタービン燃焼器３の前記中央バーナ３２及び複数個の外周バーナ３３をそれぞれ構成する複数の燃料ノズル２２は、図７に示すように、その上流側で燃料分配器２３とそれぞれ連結しており、燃料分配器２３によって燃料系統２００ａを通じて供給されたガス燃料２００のうち、燃料系統２００ａから分岐した燃料系統２０１ａを通じて供給されたガス燃料２０１は、前記バーナ８の中央部に設置された中央バーナ３２を構成する複数の燃料ノズル２２に供給される。
【００９４】
そして、燃料系統２００ａから分岐した燃料系統２０１ａに設けた燃料制御弁６１によって前記燃料系統２０１ａを通じて前記中央バーナ３２の複数の燃料ノズル２２に供給されるガス燃料２０１の供給量はそれぞれ調節されている。
【００９５】
また、燃料分配器２３によって燃料系統２００ａを通じて供給されたガス燃料２００のうち、燃料系統２００ａから分岐された燃料系統２０２ａ、２０３ａを通じてそれぞれ供給されたガス燃料２０２、２０３は、前記バーナ８の中央バーナ３２の外周部に設置された各外周バーナ３３を構成する複数の燃料ノズル２２に供給される。
【００９６】
そして、燃料系統２００ａから分岐した一方の燃料系統２０２ａに設けた燃料制御弁６２、及び分岐した他方の燃料系統２０３ａに設けた燃料制御弁６３によって前記燃料系統２０２ａ、２０３ａを通じて前記各外周バーナ３３を構成する複数の燃料ノズル２２に供給されるガス燃料２０２、２０３の供給量はそれぞれ調節されている。
【００９７】
そして、燃料系統２０２ａを通じて供給されたガス燃料２０２は、丁度、第１実施例のガスタービン燃焼器３のバーナ８を構成する空気プレート２０に形成した空気孔と対応する燃料ノズル２２と同様に、前記各外周バーナ３３を構成する空気プレート２０に形成した前記１列目空気孔５１に対応する燃料ノズル２２に、燃料系統２０３ａを通じて供給されたガス燃料２０３も同じく、前記各外周バーナ３３を構成する空気プレート２０に形成した前記２列目空気孔５２と３列目空気孔５３に対応する燃料ノズル２２にそれぞれ供給される。
【００９８】
図７及び図８Ａに示したように、本実施例のガスタービン燃焼器３では、前記各外周バーナ３３に設置した複数の燃料ノズル２２に対応して空気孔プレート２０に形成した１列目空気孔５１よりも中心側となる空気孔プレート２０の部分に空気孔プレート２０のメタル温度を検出する熱電対４０２が設置され、空気孔プレート２０の２列目空気孔５２よりも外周側で３列目空気孔５３との間となる空気孔プレート２０の空気孔間隙部に、空気孔プレート２０のメタル温度を検出する熱電対４０３が設置されている。
【００９９】
更に、本実施例のガスタービン燃焼器３において、前記中央バーナ３２に設置した油ノズル４０に対応して空気孔プレート２０の中心部に形成した１列目空気孔５１よりも外周側となる空気孔プレート２０の部分に空気孔プレート２０のメタル温度を検出する熱電対４０１が設置されている。
【０１００】
そして前記熱電対４０１、４０２、４０３で検出した空気孔プレート２０の各部のメタル温度の検出信号を燃料流量制御装置５００に入力し、前記燃料流量制御装置５００で演算処理された制御信号によって燃料系統２０１ａ、２０２ａ、２０３ａに設置した燃料制御弁６１、６２、６３の開度を操作して、ガスタービン燃焼器３の中央バーナ３２及び各外周バーナ３３を構成する複数の燃料ノズル２２に供給するガス燃料２０１、２０２、２０３の流量をそれぞれ調節することで、燃焼室５内に形成される中央バーナ火炎８１の火炎位置、及び外周バーナ火炎８２の火炎位置が所望の位置となるように制御される。
【０１０１】
ところで、水素含有燃料をガスタービン燃焼器３の燃料として使用する場合、着火に失敗すると水素含有燃料がガスタービン燃焼器３で燃焼せずに排出され、下流側のタービン４内で燃焼して爆発が起こる危険性を回避する必要がある。
【０１０２】
そこで、本実施例のガスタービン燃焼器３においては、水素を含まない起動用燃料（例えば、油燃料）で着火、およびガスタービンプラントを低負荷まで運転し、その後、順次、水素含有燃料をガスタービン燃焼器３に供給して燃焼させ、前述したような爆発が起こる危険性を回避する。
【０１０３】
そこで、次に、水素含有燃料を燃料として使用する本実施例のガスタービン燃焼器３について以下に説明する。
【０１０４】
図８Ａは図７に示した本実施例であるガスタービン燃焼器３のバーナ下流の燃焼室５内に形成される火炎の状況を示す概略説明図であり、図８Ｂは図７に示した本実施例であるガスタービン燃焼器３のバーナのメタル温度Ｔ１と火炎位置Ｌ１の関係を示す関係図であり、中央バーナ３２の下流となる燃焼室５内には中央バーナ火炎８１が、複数個の外周バーナ３３の下流となる燃焼室５内には複数の外周バーナ火炎８２がそれぞれ形成されている。
【０１０５】
本実施例であるガスタービン燃焼器３の中央バーナ３２はパイロットバーナの役目を果たすものであり、燃焼室５内に形成される火炎を安定に保持してガスタービン燃焼器全体の燃焼安定性を確保する必要がある。
【０１０６】
そこで、本実施例であるガスタービン燃焼器３においては、中央バーナ３２を構成する空気プレート２０に設置した熱電対４０１で検出したメタル温度Ｔ１と、この中央バーナ３２を構成する空気孔プレート２０の燃焼室側表面の位置から燃焼室５内に形成される中央バーナ火炎８１までの火炎距離Ｌ１に基づいて、燃料系統２０１ａを通じてガスタービン燃焼器３の中央バーナ３２を構成する複数の燃料ノズル２２に供給するガス燃料２０１（Ｆ１燃料）の流量を制御する。
【０１０７】
図８Ｂは本実施例であるガスタービン燃焼器３のバーナのメタル温度Ｔ１と火炎位置Ｌ１の関係を示す関係図を示しており、図８Ｂに示したように、中央バーナ３２を構成する空気孔プレート２０の燃焼室側表面の位置から中央バーナ火炎８１までの火炎位置Ｌ１に応じて、中央バーナ３２を構成する空気プレート２０に設置した熱電対４０１で検出するメタル温度Ｔ１の検出値は変化する。
【０１０８】
図８Ｂにおいて、Ｔ１＝Ｔ１ｍａｘ（最大値）は中央バーナ３２のメタル温度Ｔ１がバーナ信頼性を確保できる最大の温度とし、Ｔ１＝Ｔ１ｍｉｎ（最小値）は燃焼室５内に形成された中央バーナ火炎８１が安定に保持される最小の温度とすると、中央バーナ３２のメタル温度Ｔ１は、Ｔ１ｍｉｎ≦Ｔ１≦Ｔ１ｍａｘの範囲となっている必要がある。
【０１０９】
中央バーナ３２のメタル温度Ｔ１が、Ｔ１＝Ｔ１ｍａｘの場合は、燃焼室５内に形成された中央バーナ火炎８１の火炎が最も上流側に位置する場合であり、この場合、中央バーナ３２を構成する空気孔プレート２０の燃焼室側表面の位置から燃焼室５内に形成された中央バーナ火炎８１までの火炎距離Ｌ１は、Ｌ１＝Ｌ１ｍｉｎ（最小値）となる。
【０１１０】
また、中央バーナ３２のメタル温度Ｔ１が、Ｔ１＝Ｔ１ｍｉｎの場合は、燃焼室５内に形成された中央バーナ火炎８１の火炎が最も下流側に位置する場合であり、この場合、中央バーナ３２を構成する空気孔プレート２０の燃焼室側表面の位置から燃焼室５内に形成された中央バーナ火炎８１までの火炎距離Ｌ１は、Ｌ１＝Ｌ１ｍａｘ（最大値）となる。
【０１１１】
図９に本実施例のガスタービン燃焼器３における燃料流量制御装置５００の制御ブロック図を示す。図９に示した本実施例のガスタービン燃焼器３における燃料流量制御装置５００の制御ブロックと図５に示した第１実施例のガスタービン燃焼器３における燃料流量制御装置５００の制御ブロック図との相違点は、燃料比率設定器５０３が熱電対４０２、４０３で検出した温度信号Ｔ２、Ｔ３に加えて、熱電対４０１で検出した温度信号Ｔ１も入力させており、燃料系統２０２ａ、２０３ａを通じて複数個の外周バーナ３３に供給するガス燃料２０２（Ｆ２燃料）の流量を設定するＦ２燃料設定器１５２及びガス燃料２０３（Ｆ３燃料）の流量を設定するＦ３燃料設定器１５３に加えて、燃料系統２０１ａを通じて中央バーナ３２に供給するガス燃料２０１（Ｆ１燃料）の流量を設定するＦ１燃料設定器１５１を備えている。
【０１１２】
本実施例のガスタービン燃焼器３の燃料流量制御装置５００では、次のようにして燃料系統２０１ａ、２０２ａ、２０３ａに設置した燃料制御弁６１、６２、６３の開度を操作して、ガスタービン燃焼器３の中央バーナ３２を構成する複数の燃料ノズル２２、及び複数個の外周バーナ３３を構成する複数の燃料ノズル２２に燃料系統２０１ａ、２０２ａ、２０３ａを通じて供給するガス燃料２０１、２０２、２０３の流量をそれぞれ制御する。
【０１１３】
次に、本実施例のガスタービン燃焼器３の中央バーナ３２及び複数個の外周バーナ３３をそれぞれ構成する複数の燃料ノズル２２に供給するガス燃料２０１、２０２、２０３の流量の制御方法を図９に示した燃料流量の制御装置５００、及び図１０Ａ及び図１０Ｂを用いて説明する。
【０１１４】
尚、本実施例のガスタービン燃焼器３によるＦ２燃料流量及びＦ３燃料流量の制御方法は第１実施例のガスタービン燃焼器３の場合と同様であるため、本実施例のガスタービン燃焼器３においては、Ｆ１燃料流量の制御方法についてのみ説明する。
【０１１５】
図１０Ａは、図９に示した本実施例のガスタービン燃焼器に供給する燃料流量の制御装置による燃料流量の制御方法の一例であって、温度Ｔ１の時間変化を示す説明図であり、図１０Ｂは、図９に示した本実施例のガスタービン燃焼器に供給する燃料流量の制御装置のよる燃料流量の制御方法の一例であって、Ｆ１燃料、Ｆ２＋Ｆ３燃料の流量の時間変化を示す説明図である。
【０１１６】
図１０Ａは図９に示した本実施例のガスタービン燃焼器に供給する燃料流量制御装置５００による燃料流量の制御方法の一例であって、図１０Ａ及び図１０Ｂに示したように、ガスタービン燃焼器３の運転時間ｔにおいて、時間ｔ＝ｔｕ１を経過してガスタービン燃焼器３の燃焼室５内に形成される中央バーナ火炎８１の位置が上流側に近づくと、中央バーナ３２を構成する空気プレート２０に設置した熱電対４０１で検出したメタル温度Ｔ１が上昇して、時間ｔ＝ｔｕ２でメタル温度Ｔ１が最大値Ｔ１ｍａｘに達している。
【０１１７】
熱電対４０１で検出した中央バーナ３２のメタル温度Ｔ１がＴ１ｍａｘよりも大きくなると、バーナ信頼性が低下する可能性がある。
【０１１８】
そこで、熱電対４０１で検出したメタル温度Ｔ１に基づいて、中央バーナ３２のメタル温度Ｔ１が、燃焼室５内に形成された中央バーナ火炎８１の火炎が最上流側と最下流側との間に位置させるため、中央バーナ３２のメタル温度Ｔ１を、Ｔ１ｍｉｎ≦Ｔ１≦Ｔ１ｍａｘの範囲に入るように、図９に示した燃料流量制御装置５００の演算制御によって、燃料比率設定器５０３でガス燃料２０１の流量を配分する燃料比率の設定信号を演算し、Ｆ１燃料設定器１５１に演算した燃料比率の設定信号を出力する。
【０１１９】
Ｆ１燃料設定器１５１では、燃料比率設定器５０３から出力された燃料比率の設定信号に基づいて、Ｆ１燃料とＦ２燃料及びＦ３燃料の流量の合計を一定に保持しながら、燃料系統２０１ａに設置した燃料制御弁６１の開度が小さくなるように操作して、燃料系統２０１ａを通じてガスタービン燃焼器３の中央バーナ３２を構成する複数の燃料ノズル２２に供給するＦ１燃料流量を減少させるように制御する。
【０１２０】
同時に、燃料比率設定器５０３から出力された燃料比率の設定信号に基づいて、Ｆ２燃料設定器１５２及びＦ３燃料設定器１５３では、燃料系統２０２ａ及び２０３ａに設置した燃料制御弁６２、６３の開度が大きくなるように操作して、燃料系統２０２ａ、２０３ａを通じてガスタービン燃焼器３の複数個の外周バーナ３３を構成する複数の燃料ノズル２２に供給するＦ２燃料流量及びＦ３燃料流量を増加させるように制御して、時間ｔ＝ｔｕ３でメタル温度Ｔ１が時間ｔ＝ｔｕ１の時と同じメタル温度Ｔ１の値まで低下させる制御を行う。
【０１２１】
一方、図１０Ａ及び図１０Ｂに示したように、ガスタービン燃焼器３の運転時間ｔがｔｕ３からｔｄ１を経過して、ガスタービン燃焼器３の燃焼室５内に形成される中央バーナ火炎８１の位置が下流側に近づくと、中央バーナ３２を構成する空気プレート２０に設置した熱電対４０１で検出したメタル温度Ｔ１が減少して、時間ｔ＝ｔｄ２で最小値Ｔ１ｍｉｎに達する。
【０１２２】
熱電対４０１で検出した中央バーナ３２のメタル温度Ｔ１がＴ１ｍｉｎよりも小さくなると、火炎安定性が低下する可能性がある。
【０１２３】
そこで、熱電対４０１で検出したメタル温度Ｔ１に基づいて、中央バーナ３２のメタル温度Ｔ１が、燃焼室５内に形成された中央バーナ火炎８１の火炎が最上流側と最下流側との間に位置させるため、中央バーナ３２のメタル温度Ｔ１を、Ｔ１ｍｉｎ≦Ｔ１≦Ｔ１ｍａｘの範囲に入るように、図９に示した燃料流量制御装置５００の演算制御によって、燃料比率設定器５０３でガス燃料２０１の流量を配分する燃料比率の設定信号を演算し、Ｆ１燃料設定器１５１に演算した燃料比率の設定信号を出力する。
【０１２４】
Ｆ１燃料設定器１５１では、燃料比率設定器５０３から出力された燃料比率の設定信号に基づいて、Ｆ１燃料とＦ２燃料及びＦ３燃料の流量の合計を一定に保持しながら、燃料系統２０１ａに設置した燃料制御弁６１の開度が大きくなるように操作して、燃料系統２０１ａを通じてガスタービン燃焼器３の中央バーナ３２を構成する複数の燃料ノズル２２に供給するＦ１燃料流量を増加させるように制御する。
【０１２５】
同時に、燃料比率設定器５０３から出力された燃料比率の設定信号に基づいて、Ｆ２燃料設定器１５２及びＦ３燃料設定器１５３では、燃料系統２０２ａ及び２０３ａに設置した燃料制御弁６２、６３の開度が小さくなるように操作して、燃料系統２０２ａ、２０３ａを通じてガスタービン燃焼器３の複数個の外周バーナ３３を構成する複数の燃料ノズル２２に供給するＦ２燃料流量及びＦ３燃料流量を減少させるように制御して、時間ｔ＝ｔｄ３でメタル温度Ｔ１が時間ｔ＝ｔｕ１の時と同じメタル温度Ｔ１の値まで上昇させる制御を行う。
【０１２６】
上記した本実施例のガスタービン燃焼器３では、水素含有燃料をガスタービン燃焼器３の燃料として使用する場合でも、水素含有燃料が下流側のタービン４内で燃焼して爆発が起こる危険性を回避することが可能となるので、バーナメタル温度Ｔ１の検出値からバーナに供給する燃料流量を制御することによりバーナ信頼性を確保できる。
【０１２７】
したがって本実施例によれば、ガスタービン燃焼器で燃焼させる水素含有燃料の組成が幅広く変化する燃料を燃焼させる場合でも、バーナメタル温度の上昇や燃焼振動の発生を抑制してバーナの信頼性を確保することが可能なガスタービン燃焼器が実現できる。
【符号の説明】
【０１２８】
１：ガスタービンプラント、２：空気圧縮機、３：ガスタービン燃焼器、４：タービン、５：燃焼室、６：発電機、７：ガスタービン起動用モータ、８：バーナ、１０：外筒、１２：主室ライナ、１３：燃焼器エンドカバー、２０：空気孔プレート、２１：空気孔、２２：燃料ノズル、２３：燃料分配器、３２：中央バーナ、３３：外周バーナ、４０：油ノズル、５１：１列目空気孔、５２：２列目空気孔、５３：３列目空気孔、６０、６５：燃料遮断弁、６１、６２、６３：燃料制御弁、８０：循環ガス、８１：中央バーナ火炎、８２：外周バーナ火炎、１０１：空気、１０２、１０２ａ：圧縮空気、１０３：冷却空気、１１０：燃焼ガス、１１１：排気ガス、１６０：浮上円錐火炎、１２３：冷却空気孔、１２４：冷却空気、１５１：Ｆ１燃料設定器、１５２：Ｆ２燃料設定器、１５３：Ｆ３燃料設定器、１６０：理想位置の火炎、１６１：最上流位置の火炎、１６２：最下流位置の火炎、２００、２０１、２０２、２０３：ガス燃料、２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ：燃料系統、２１０：起動用油燃料、３００：空気孔プレートエンドカバー側表面、３０１：空気孔プレート燃焼室側表面、４０１、４０２、４０３：熱電対、４１０：熱電対挿入孔、５００：燃料流量制御装置、５０１：減算器、５０２：燃料流量演算器、５０３：燃料比率設定器。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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