(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心円状の複数の空気孔列を有する空気孔プレートと、
前記空気孔プレートの対応する空気孔に向かってそれぞれ燃料を噴射する複数の燃料ノズルとを備え、
前記複数の空気孔列の全ての列において、周方向に隣接する空気孔間の距離が、同一の燃焼器に設けた複数の他のバーナの少なくとも一つへの燃料供給が遮断される運転条件下の火炎の消炎距離よりも長く設定されている
ことを特徴とするバーナ。
【請求項２】
全ての内側の空気孔列における前記空気孔間の距離が、同一の燃焼器に設けたバーナの全てに燃料が供給される運転条件下の前記消炎距離よりも短く設定されていることを特徴とする請求項１のバーナ。
【請求項３】
少なくとも最も外側の空気孔列における前記空気孔間の距離が、同一の燃焼器に設けたバーナの全てに燃料が供給される運転条件下の前記消炎距離よりも短く設定されていることを特徴とする請求項１のバーナ。
【請求項４】
最も外側の空気孔列における空気孔間距離よりも最も内側の空気孔列における前記空気孔間距離が大きくしてあることを特徴とする請求項２又は３のバーナ。
【請求項５】
空気孔プレートに同心円状の複数の空気孔列、及び前記空気孔列の対応する空気孔に向かってそれぞれ燃料を噴射する複数の燃料ノズルをそれぞれ備えた複数のバーナと、
前記複数のバーナのうち少なくとも中央に配置したバーナを対象として、前記空気孔を介して燃焼室に噴出する予混合気の燃空比を調節して火炎の消炎距離を変化させ、当該バーナの少なくとも最も外側の空気孔列における周方向に隣接する空気孔間の距離と前記消炎距離との大小関係を変化させることで火炎形状を制御する制御装置と
を備えたことを特徴とする燃焼器。
【請求項６】
前記制御装置は、前記燃料ノズルへの燃料供給量を制御して燃空比を調節することを特徴とする請求項５の燃焼器。
【請求項７】
前記制御装置は、前記火炎形状制御の対象とするバーナ以外のバーナの少なくとも一つへの燃料供給を遮断する運転条件下では、当該対象バーナの全ての空気孔列における前記空気孔間の距離よりも前記消炎距離を短くし、全てのバーナに燃料を供給する運転条件下では、当該対象バーナの全ての空気孔列における前記空気孔間の距離よりも前記消炎距離を長くすることを特徴とする請求項５の燃焼器。
【請求項８】
前記火炎形状の制御対象となるバーナにおいては、最も外側の空気孔列における前記空気孔間距離よりも最も内側の空気孔列における前記空気孔間距離が大きくしてあり、
前記制御装置は、全てのバーナに燃料を供給する運転条件下では、当該対象バーナの前記最も内側の空気孔列の空気孔間距離よりも短く前記最も外側の空気孔列の空気孔間距離よりも長くなるように前記消炎距離を調節し、前記火炎形状制御の対象とするバーナ以外のバーナの少なくとも一つへの燃料供給を遮断する運転条件下では、当該対象バーナの全ての空気孔列における前記空気孔間の距離よりも前記消炎距離を短くすることを特徴とする請求項５の燃焼器。
【請求項９】
前記火炎形状制御の対象とするバーナは、前記燃焼器の中央に配置したバーナであって、前記火炎形状制御の対象とするバーナ以外のバーナの少なくとも一つへの燃料供給を遮断する運転条件が、起動時の運転条件であることを特徴とする請求項７又は８の燃焼器。
【請求項１０】
前記複数のバーナのうちの前記燃焼器の中央よりも外側に配置したバーナであって、前記火炎形状制御の対象とするバーナ以外のバーナの少なくとも一つへの燃料供給を遮断する運転条件が、部分負荷の運転条件であることを特徴とする請求項７又は８の燃焼器。
【請求項１１】
前記火炎形状制御の対象とするバーナにおける内側の空気孔列に燃料を供給する一の燃料系統と、
前記火炎形状制御の対象とするバーナにおける外側の空気孔列に燃料を供給する他の燃料系統と
を備えていることを特徴とする請求項７又は８の燃焼器。
【請求項１２】
圧縮機と、
この圧縮機で圧縮された空気とともに燃料を燃焼する請求項５の燃焼器と、
この燃焼器で発生した燃焼ガスで駆動するタービンと、
このガスタービンの回転動力で駆動する負荷機器と
を備えたことを特徴とするガスタービン設備。
【請求項１３】
空気孔プレートに同心円状の複数の空気孔列、及び前記空気孔列の対応する空気孔に向かってそれぞれ燃料を噴射する複数の燃料ノズルをそれぞれ備えた複数のバーナを備えた燃焼器の制御方法であって、
前記複数のバーナのうち少なくとも中央に配置したバーナを対象として、前記空気孔を介して燃焼室に噴出する予混合気の燃空比を調節して火炎の消炎距離を変化させ、当該バーナの少なくとも最も外側の空気孔列における周方向に隣接する空気孔間の距離と前記消炎距離との大小関係を変化させることで火炎形状を制御する
ことを特徴とする燃焼器の制御方法。
【請求項１４】
前記火炎形状制御の対象とするバーナ以外のバーナの少なくとも一つへの燃料供給を遮断する運転条件下では、当該対象バーナの全ての空気孔列における前記空気孔間の距離よりも前記消炎距離を短くし、
全てのバーナに燃料を供給する運転条件下では、当該対象バーナの全ての空気孔列における前記空気孔間の距離よりも前記消炎距離を長くする
ことを特徴とする請求項１３の燃焼器の制御方法。
【請求項１５】
全てのバーナに燃料を供給する運転条件下では、当該対象バーナの最も内側の空気孔列の空気孔間距離より短く最も外側の空気孔列の空気孔間距離より長くなるように前記消炎距離を調節し、
前記火炎形状制御の対象とするバーナ以外のバーナの少なくとも一つへの燃料供給を遮断する運転条件下では、当該対象バーナの全ての空気孔列における前記空気孔間の距離よりも前記消炎距離を短くする
ことを特徴とする請求項１３の燃焼器の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーナ、燃焼器、ガスタービン設備及び燃焼器の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境保護の観点からガスタービンにはさらなる低ＮＯｘ化が求められている。燃焼器を低ＮＯｘ化するための一方策として予混合燃焼方式の採用が挙げられるが、予混合燃焼器では火炎が逆流して予混合器内部に入り込む逆火現象が懸念される。
【０００３】
それに対し、空気孔プレートに設けた多数の空気孔にそれぞれ対向するように多数の燃料ノズルを配置し、各燃料ノズルから対応する空気孔に向けて燃料を噴射する構成の燃焼器がある（特許文献１等参照）。この種の燃焼器では、空気孔を通過する際に空気と燃料とが混合されて燃焼室に噴出し、耐逆火性と低ＮＯｘ燃焼の両立ができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１４８７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ガスタービンは、着火から定格負荷に移行するまでの幅広い運転条件で安定に稼働させる必要がある。そのため、燃焼器には、複数のバーナを設けたマルチバーナ方式が広く採用されている。マルチバーナ方式の燃焼器では、例えば燃料供給量が少ない着火時には中央に配置した１つのバーナのみから燃料を噴射し、燃料供給量が増す定格負荷運転時には全てのバーナから燃料を供給するといった運用ができる。
【０００６】
ここで、例えば各バーナにおいて内側の空気孔を起点に形成される火炎と外側の空気孔との距離が確保できた方が、外側の空気孔から噴出した予混合気が火炎と反応して燃焼するまでに更に空気と混合される。そのため、低ＮＯｘ燃焼の観点では、バーナにより形成される火炎は円錐状である方が有利である。
【０００７】
しかしながら、着火時等のように中央のバーナのみに燃料を供給する場合、外側のバーナからは空気のみが噴出する。この場合、中央のバーナで円錐状の火炎を形成すると、この中央のバーナにおける外側の空気孔から噴出する予混合気には、火炎と反応する前に、外側のバーナから噴出した空気が干渉し得る。その結果、外側の空気孔から噴出する予混合気の燃空比が低下し、未燃分の排出量が増加し得る。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、未燃分の排出量を抑制しつつ低ＮＯｘ燃焼を実現することができるバーナ、燃焼器、ガスタービン及び燃焼器の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、同心円状の複数の空気孔列を有する空気孔プレート、及び上記空気孔プレートの対応する空気孔に向かってそれぞれ燃料を噴射する複数の燃料ノズルを備えたバーナにおいて、全空気孔列における周方向に隣接する空気孔間の距離を、同一の燃焼器に設けた複数の他のバーナの少なくとも一つへの燃料供給が遮断される運転条件下の火炎の消炎距離よりも長く設定する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、未燃分の排出量を抑制しつつ低ＮＯｘ燃焼を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１に係るガスタービン設備の概略構成を示す系統図である。
【図２】本発明の実施例１に係る燃焼器に備えられたマルチバーナの構造を表す断面図を燃料系統及び制御装置とともに表した図であって、中央バーナを単独で燃焼させている状態を表す図である。
【図３】本発明の実施例１に係る燃焼器に備えられたマルチバーナの空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。
【図４】本発明の実施例１に係る燃焼器に備えられた外側バーナの断面図である。
【図５】本発明の実施例１に係る燃焼器に備えられた外側バーナを燃焼室側から見た正面図である。
【図６】メタンの当量比に対する消炎距離の関係を示す図である。
【図７】本発明の実施例１に係る燃焼器に備えられた外側バーナの１列目の空気孔列のバーナ中心軸側から見た断面の展開図である。
【図８】本発明の実施例１に係る燃焼器に備えられた中央バーナの断面図である。
【図９】本発明の実施例１に係る燃焼器に備えられた中央バーナを燃焼室側から見た正面図である。
【図１０】本発明の実施例１に係る燃焼器に備えられた中央バーナの１列目の空気孔列のバーナ中心軸側から見た断面の展開図である。
【図１１】本発明の実施例１に係る燃焼器に備えられた制御装置による起動から定格運転に移行する際の火炎形状の制御手順を表すフローチャートである。
【図１２】本発明の実施例１に係る燃焼器に備えられたマルチバーナの構造を表す断面図を燃料系統及び制御装置とともに表した図であって、全バーナで燃焼させている状態を表す図である。
【図１３】本発明の実施例２に係る燃焼器に備えられたマルチバーナの空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図であって実施例１の図３に対応する図である。
【図１４】本発明の実施例２に係る燃焼器に備えられたマルチバーナの部分負荷運転時の燃料供給対象を模式的に表した図である。
【図１５】本発明の実施例２に係る燃焼器に備えられた制御装置による起動から定格運転に移行する際の火炎形状の制御手順を表すフローチャートである。
【図１６】本発明の実施例３に係る燃焼器に備えられた中央バーナを燃焼室側から見た正面図であって実施例１の図９に対応する図である。
【図１７】本発明の実施例４に係る燃焼器に備えられた中央バーナの断面図であって実施例１の図８に対応する図である。
【図１８】本発明の実施例４に係る燃焼器に備えられた制御装置による起動から定格運転に移行する際の中央バーナへの燃料供給量の制御手順を表すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
１．バーナ
（１）本実施の形態のバーナは、複数の空気孔列を有する空気孔プレートと複数の燃料ノズルとを備えている。空気孔プレートは平板状の部材であり、燃焼室における燃焼ガスの流れ方向の上流側端部に蓋をするようにして配置されている。各空気孔列は空気孔プレートに環状に穿設した複数の空気孔からなるものであり、これら空気孔列は同心円状に設けられている。各空気孔列の空気孔は、バーナ中心軸線に対してバーナの周方向の一方側に傾斜しており、各空気孔列から噴出する空気噴流には旋回成分が付与され、燃焼室内でバーナの径方向に拡大する流れを形成する。燃料ノズルは、空気孔プレートを挟んで燃焼室と反対側において空気孔プレートに噴射孔を向けて配置されている。各燃料ノズルは、一対一の関係で対応する空気孔に向かってそれぞれ燃料を噴射する。燃料ノズルから噴射された燃料は、周囲の燃焼用空気に包囲されて空気孔に流入し、空気孔を通過する際の流路の急激な縮小及び拡大によって燃焼用空気と混合されて予混合気として燃焼室内に噴出する。空気孔は一般的な予混合気器に比べて口径が極めて小さく、流通する予混合気の流速が速いので、燃焼室で保持される火炎が空気孔を逆流することは困難であり、逆火現象は抑制される。
【００１４】
上記バーナは同一の燃焼器に対して複数設けられていて、例えば燃焼室側から見て中央に配置した中央バーナ、及び中央バーナの周囲に設けた複数の外側バーナが備えられる。本実施の形態の特徴は、これら複数のバーナのうちの少なくとも中央バーナに適用される。具体的には、中央バーナのみに、又は中央バーナに加えて一部の外側バーナに本実施の形態の特徴が適用される。以下、同一の燃焼器のうちの本実施の形態の特徴を適用するバーナ（後述する火炎形状制御の対象とするバーナ）を「対象バーナ」、特徴が適用されないバーナ（対象バーナ以外のバーナ）を「非対象バーナ」という。
【００１５】
（２）本実施の形態のバーナの最も大きな特徴は、対象バーナについて、空気孔プレートに設けた空気孔列における周方向に隣接する空気孔間の最短距離（以下「空気孔間距離ｄ」）が、火炎の消炎距離（以下「消炎距離Ｄ」）を考慮して設定してある点である。具体的には、対象バーナの全ての空気孔列の空気孔間距離ｄが、一部のバーナに燃料を供給する運転条件下で形成される火炎の消炎距離Ｄよりも長く設定されている。ここでいう「一部のバーナに燃料を供給する運転条件」とは同一の燃焼器に設けた複数の他のバーナの少なくとも一つ（非対称バーナの少なくとも一つ）への燃料供給が遮断される運転条件のことである。具体的には、中央バーナのみを対象バーナとする場合には、例えば非対象バーナ（全ての外側バーナ）に燃料を供給しない（中央バーナのみに燃料を供給する）起動時の運転条件が該当する。また、中央バーナの他に一部の外側バーナも対象バーナに含まれる場合には、例えば非対象バーナ（対象バーナ以外の外側バーナ）に燃料を供給しない（中央バーナと一部の外側バーナのみに燃料を供給する）部分負荷の運転条件が該当する。
【００１６】
ここで、「消炎距離」とは、例えば対向する２枚の板の間隔を狭めていくと当該２枚の板の間を火炎が伝播できなくなる場合に、火炎が伝播できなくなる２枚の板の間の距離の限界値をいう。一例として図６にメタンの当量比に対する消炎距離の関係を示す。メタンの場合には当量比０．９−１の間で消炎距離は最小値をとり、そこから当量比の値が離れていくにつれて消炎距離が長くなっていくことが一般的に知られている。従って、空気孔から燃焼室に噴出する予混合気の燃空比によって消炎距離Ｄは変動する。そして、燃焼室において各空気孔列から噴出する予混合気をバーナ中心軸側から見たとき、周方向に隣接する２つの予混合気の噴流は、消炎距離の上記の定義に当てはめれば「２枚の板」に該当する。これら２つの噴流は燃焼室に噴き出すと拡散するため、空気孔プレートから離れると合流するが、空気孔プレートの近傍においては空気孔プレートと２つの噴流とで確定される三角形状の空間が生じる。この三角形状の空間の幅（空気孔プレートの表面に沿ってバーナ周方向に採った幅）の最大値は空気孔間距離ｄである。空気孔列の内側の領域を基点として保持される火炎が、空気孔列を超えて空気孔列の外側に伝播するには、この空間を伝播しなければならない。言い換えれば、消炎距離Ｄが空気孔距離ｄよりも長ければ、空気孔列の内側から外側への火炎の伝播は抑止され、消炎距離Ｄが空気孔距離ｄよりも短ければ、空気孔列の内側から外側への火炎が伝播する。すなわち、前述した通り対象バーナについては、一部のバーナに燃料を供給する運転条件下では、全ての空気孔列の空気孔間距離ｄが火炎の消炎距離Ｄよりも長く設定されているため、最も内側の空気孔列の内側の領域を基点に形成される火炎が全ての空気孔列を超えて外側に伝播し、火炎の基部は最も外側の空気孔列の外側の領域まで拡大する。
【００１７】
ここで、燃料の供給されない非対称バーナの空気孔からは燃焼用空気のみが燃焼室に噴出するが、非対象バーナから噴出した燃焼用空気は下流に向かって広がるため、隣接する対象バーナの最も外側の空気孔列から噴出した予混合気に干渉し得る。仮に対象バーナから噴出する燃焼前の予混合気に燃焼用空気が干渉すれば、対象バーナの燃空比が低下して未燃分の排出量が増加し得る。しかし、前述した通り対象バーナの形成する火炎は、一部のバーナに燃料を供給する条件下では、最も外側の空気孔列よりも外側にまで基部を広げる。そのため、対象バーナの全ての空気孔列から噴出する予混合気は燃焼室に噴出してから空気孔プレートの近傍で燃焼反応を開始し、燃焼前に非対象バーナからの燃焼用空気と干渉することによって燃空比が低下することは抑制される。よって、予混合気の燃焼によりＮＯｘの抑制を実現しつつ、一部のバーナに燃料を供給する運転条件下で懸念される未燃分の排出量の増加を抑制することができる。
【００１８】
（３）また、上記に加えて次のように空気孔間距離ｄを設定することで、更なるＮＯｘ抑制の効果が得られる。具体的には、一部のバーナに燃料を供給する運転条件下では上記のように対象バーナにおいて最も外側の空気孔列よりも外側に火炎の基部が広がるようにする一方で、非対象バーナを含めた全てのバーナに燃料を供給する定格負荷時の運転条件下では、少なくとも最も外側の空気孔列よりも内側の領域まで火炎の基部が縮小するようにする。この場合には、全てのバーナに燃料を供給する運転条件下では、少なくとも最も外側の空気孔列から噴出した予混合気については、燃焼室に噴出してから火炎と反応によって燃焼を開始するまでに燃焼室中を一定の距離進行するため、その間に空気との更なる混合が促進されてＮＯｘ発生量が抑えられる。
【００１９】
（ｉ）全てのバーナに燃料が供給される運転条件下において少なくとも最も外側の空気孔列よりも内側の領域まで火炎の基部を縮小させる構成としては、対象バーナの全ての空気孔列における空気孔間距離ｄを、全てのバーナに燃料が供給される運転条件下の消炎距離Ｄよりも短く設定する構成が例示できる。この場合には、全てのバーナに燃料が供給される運転条件下では、対象バーナの最も内側の空気孔列よりも内側の領域を基点とする円錐状の火炎が形成される。したがって、最も外側の空気孔列から噴出する予混合気のみならず、各空気孔列から噴出する燃焼前の予混合気と空気との更なる混合の機会が積極的に与えられる。火炎は円錐状であるため、火炎に到達するまでの空気との混合距離は外側の空気孔列から噴出する予混合気ほど長い。なお、全空気孔列における空気孔間距離ｄを全バーナに燃料を供給する運転条件下の消炎距離Ｌよりも短くする上では、例えば各空気孔列における空気孔間距離ｄが、同一であっても良いし適宜異なっていても良い。内側の空気孔列の空気孔間距離ｄが、外側の空気孔列の空気孔間距離ｄよりも長い又は短い構成であっても良い。
【００２０】
（ii）また、別の例としては、例えば複数の空気孔列を内側の空気孔列と外側の空気孔列に分け、内側の空気孔列における空気孔間距離ｄを外側の空気孔列の空気孔間距離ｄよりも大きくし、内側の空気孔列の空気孔間距離ｄについては、全運転条件下で消炎距離Ｄよりも大きく、外側の空気孔列の空気孔間距離ｄについては、一部のバーナのみに燃料を供給する運転条件下の消炎距離Ｄよりは長く、かつ全バーナに燃料を供給する運転条件下の消炎距離Ｄよりは短い値に設定する構成が挙げられる。この場合、全てのバーナに燃料を供給する運転条件下では、対象バーナの外側の空気孔列よりも内側の領域を基点とする円錐状の火炎が形成される。したがって、少なくとも外側の空気孔列から噴出する予混合気には空気との更なる混合促進の機会が積極的に与えられる。なお、「内側の空気孔列」とは、最も内側の空気孔列を含む少なくとも１つの空気孔列をいい、「外側の空気孔列」とは、最も外側の空気孔列を含む少なくとも１つの空気孔列であって、内側の空気孔列の外側に位置する空気孔列をいう。内側の空気孔列が複数ある場合には、それらの空気孔間距離ｄが一致していても良いし異なっていても良い。
【００２１】
２．燃焼器・制御方法
（１）本実施の形態の燃焼器は、複数のバーナ、複数の燃料系統、及び制御装置を備えている。複数のバーナは前述した対象バーナ及び非対象バーナを含む。複数の燃料系統は、対象バーナに燃料を供給する燃料系統、及び非対象バーナに燃料を供給する燃料系統を含む。対象バーナに中央バーナと外側バーナが含まれる場合には、対象バーナに燃料を供給する燃料系統は、中央バーナに燃料を供給する燃料系統、及び対象バーナのうちの外側バーナに燃料を供給する燃料系統にさらに分かれる。もっとも、対象バーナが中央バーナのみの場合であっても、非対象バーナである複数の外側バーナを複数の群に分けて、各群に燃料を供給する燃料系統を複数に分けることもある。
【００２２】
（２）制御装置は、複数の燃料系統を制御するものであり、複数のバーナのうち少なくとも中央バーナを含む対象バーナの空気孔を介して燃焼室に噴出する予混合気の燃空比を調節して火炎の消炎距離Ｄを変化させ、当該バーナの少なくとも最も外側の空気孔列における周方向に隣接する空気孔間距離ｄと消炎距離Ｄとの大小関係を変化させることで火炎形状を制御する。制御装置による燃空比の調節と前述した対象バーナの空気孔間距離ｄの設定とは表裏の関係にあり、運転条件によって消炎距離Ｄと空気孔間距離ｄの大小関係を変化させるには、制御装置による燃空比の調節の結果、運転条件によって変わる消炎距離Ｄの変動幅の範囲内に空気孔間距離ｄが設定されている必要がある。言い換えれば、そのような観点で空気孔間距離ｄが設定されていれば、起動から定格負荷までの各々の運転条件によって、特定の空気孔列の空気孔間距離ｄに対して消炎距離Ｄを小さくしたり大きくしたりすることが可能となる。
【００２３】
（３）前述したように、一部のバーナに燃料を供給する運転条件下の消炎距離Ｄよりも対象バーナの空気孔間距離ｄは長く設定されている。言い換えれば、定格負荷又はそれに準ずる負荷帯に到達するまでの間、消炎距離Ｄが対象バーナの空気孔間距離ｄを超えないように燃空比を調節することができるようになっている。この構成下において、制御装置は、一部のバーナに燃料を供給する運転条件下では対象バーナで形成する火炎の消炎距離Ｄを空気孔間距離ｄよりも短くなるように調節する。一部のバーナに燃料を供給する運転条件下では、定格運転時に比べて燃焼器に供給する燃料流量の総量は少ないが、非対象バーナの少なくとも一部への燃料の供給を遮断することによって対象バーナにおける予混合気の燃空比を局所的に上昇させることができる。具体的には、制御装置は、一部のバーナに燃料を供給する運転条件下で、対象バーナによる予混合気の燃空比が、消炎距離Ｄが空気孔間距離ｄより短くなる範囲で燃料の供給量を制御する。図６のメタンの例に当てはめると、仮に空気孔間距離ｄを０．４ｃｍに設定したとして、空気孔間距離ｄよりも消炎距離Ｄを短くしようとすれば、例えば当量比が０．７−１．１となる範囲で対象バーナへの燃料供給量を制御すれば良い。
【００２４】
（４）また、対象バーナの少なくとも最も外側の空気孔列の空気孔間距離ｄは、全てのバーナに燃料を供給する運転条件下の消炎距離Ｄよりも短く設定されている。言い換えれば、定格負荷又はそれに準ずる負荷帯に到達した後は、消炎距離Ｄが対象バーナの空気孔間距離ｄを超えるように燃空比を調節することができるようになっている。この構成下において、制御装置は、全てのバーナに燃料を供給する運転条件下では対象バーナで形成する火炎の消炎距離Ｄを少なくとも最も外側の空気孔列の空気孔間距離ｄよりも短くなるように調節する。全てのバーナに燃料を供給する運転条件下では、起動時や部分負荷運転時に比べて燃焼器に供給する燃料流量の総量は多いが、全てのバーナに燃料を分配することによって、対象バーナにおいては、一部のバーナに燃料を供給する場合に比べて予混合気の燃空比は低下する。具体的には、制御装置は、全てのバーナに燃料を供給する運転条件下で、対象バーナによる予混合気の燃空比が、少なくとも最も外側の空気孔列の空気孔間距離ｄより消炎距離Ｄが短くなる範囲で燃料の供給量を制御する。図６のメタンの例に当てはめると、仮に最も外側の空気孔列の空気孔間距離ｄが０．４ｃｍであるとして、空気孔間距離ｄよりも消炎距離Ｄを長くしようとすれば、例えば当量比が０．６以下となる範囲で対象バーナへの燃料供給量を制御すれば良い。場合によっては、例えば当量比が１．２以上となる範囲で対象バーナへの燃料供給量を制御することも考えられる。
【００２５】
バーナの構成で説明したように、対象バーナの少なくとも最も外側の空気孔列の空気孔間距離ｄが消炎距離Ｄよりも短くなる事象には、対象バーナの全空気孔列の空気孔間距離ｄが消炎距離Ｄよりも短い状態、及び消炎距離Ｄが「内側の空気孔列」の空気孔間距離ｄよりは短いが「外側の空気孔列」の空気孔間距離ｄよりは長い状態が含まれる。従って、全てのバーナに燃料を供給する運転条件下で少なくとも最も外側の空気孔列から噴出する予混合気が燃焼前に空気とより混合する機会を積極的に獲得するための制御態様には、全バーナに燃料を供給する運転条件下で対象バーナの全空気孔列の空気孔間距離ｄが消炎距離Ｄよりも短くなるように燃空比を調節する制御態様、及び同条件下で消炎距離Ｄが「内側の空気孔列」の空気孔間距離ｄよりは短いが「外側の空気孔列」の空気孔間距離ｄよりは長くなるように燃空比を調節する制御態様が含まれる。消炎距離Ｄが「内側の空気孔列」の空気孔間距離ｄより短く「外側の空気孔列」の空気孔間距離ｄより長くなるようにするには、「外側の空気孔列」における空気孔間距離ｄよりも「内側の空気孔列」における空気孔間距離ｄが大きくしてあれば良い。この場合、少なくとも、最も外側の空気孔列における空気孔間距離ｄよりも最も内側の空気孔列における空気孔間距離ｄが大きくなる。
【００２６】
（５）なお、燃空比の調節は、空気流量に対する燃料流量の調節に限らず、燃料流量に対して空気流量を調節することでも実現し得る。例えば圧縮機から燃焼器のバーナまでの空気流路に抽気流路を接続しておき、この抽気流路に設けた制御弁を制御装置で制御することによって、バーナに供給される空気流量を制御することも考えられる。
【００２７】
（６）また、全バーナに燃料を供給する運転条件下で、対象バーナの「内側の空気孔列」と「外側の空気孔列」との間に火炎の基部の外縁が来るようにする場合、上記の例では「内側の空気孔列」と「外側の空気孔列」とで空気孔間距離ｄに差を付ける構成を採ったが、これに限られない。具体的には、対象バーナに複数の燃料系統を接続し、空気孔列によって噴出する予混合気による火炎の消炎距離Ｄに差を付けることでも実現可能である。例えば「内側の空気孔列」に燃料を供給する一の燃料系統、及び「外側の空気孔列」に燃料を供給する他の燃料系統を設ける。そして、一部のバーナにのみ燃料を供給する運転条件下では「内側の空気孔列」と「外側の空気孔列」の双方において空気孔列ｄよりも消炎距離Ｄが短くなるように、両燃料系統の開度を調節して「内側の空気孔列」と「外側の空気孔列」とで空気孔１つ当たりの燃料噴射量を同程度に調節する。他方、全バーナに燃料を供給する運転条件下では「内側の空気孔列」では空気孔列ｄよりも消炎距離Ｄが短く「外側の空気孔列」では空気孔列ｄよりも消炎距離Ｄが長くなるように、例えば両燃料系統の開度を調節して「内側の空気孔列」に比べて「外側の空気孔列」の空気孔１つ当たりの燃料噴射量を少なくする。
【００２８】
３．ガスタービン設備
本実施の形態におけるガスタービン設備は、ガスタービンとその負荷機器を備えている。負荷機器は、代表的には発電機である。ガスタービンは、上記燃焼室の他、圧縮機及びタービンを備えている。圧縮機は大気を吸い込んで圧縮するものである。燃焼器は、この圧縮機で圧縮された燃焼用空気とともに燃料を燃焼する。タービンは燃焼器で発生した燃焼ガスで駆動する。タービンの回転動力は、一部は圧縮機動力として使用され、一部は負荷機器の駆動力として使用される。負荷機器が発電機である場合、タービンによって発電機を駆動することによって電気エネルギーが得られる。なお、負荷機器として、例えばポンプ等もガスタービンに接続され得る。
【００２９】
以下に図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００３０】
１．ガスタービン設備
図１は本発明の実施例１に係るガスタービン設備の概略構成を示す系統図である。
【００３１】
図１に例示したガスタービン設備９は発電プラントであり、原動機であるガスタービン、及び負荷機器である発電機８を備えている。ガスタービンは、圧縮機１、燃焼器２及びガスタービン３を備えている。圧縮機１、タービン３及び発電機８は、シャフト７で一体に連結されている。圧縮機１は、吸い込み空気１５を圧縮して高圧空気１６を生成する。燃焼器２は、圧縮機１で生成した高圧空気１６とともにガス燃料５０を燃焼させて高温燃焼ガス１８を生成する。タービン３は、燃焼器２で生成した高温燃焼ガス１８によって駆動される。タービン３で得られた回転動力は、シャフト７を介して圧縮機１及び発電機８に伝えられる。発電機８は、タービン３の回転動力によって駆動されて電力を発生させる。また、タービン３の回転動力の一部は圧縮機１の動力となる。タービン３を駆動した高温燃焼ガス１８は、排気ガス１９としてタービン３から排出される。
【００３２】
２．燃焼器
本実施例に係る燃焼器２はガスタービンのケーシング４に格納されていて、図１では代表して一つのみを図示しているが、ガスタービンの周囲に複数設けられている。各燃焼器２は、マルチバーナ６、燃焼器ライナ１０、フロースリーブ１１、尾筒内筒１２、尾筒外筒１３、燃料系統５１−５３及び制御装置６４を備えている。
【００３３】
燃焼器ライナ１０は多数の冷却孔（図示せず）を有する円筒状の部材であり、燃焼器ライナ１０の内部が燃焼室５となる。燃焼室５は、燃料を燃焼させて燃焼ガス１８を発生させる空間である。本願明細書において燃焼器２の「上流側」及び「下流側」といった場合には、燃焼器ライナ１０内の燃焼ガス１８の流れ方向の上流側（図１では左側）及び下流側（同右側）をいう。上記マルチバーナ６及び尾筒内筒１２は、それぞれ燃焼器ライナ１０の上流側及び下流側の端部に連結されていて、燃焼器ライナ１０は尾筒内筒１２を介してタービン３の入口に接続している。上記フロースリーブ１１は燃焼器ライナ１０よりも直径が大きな円筒状の部材であり、燃焼器ライナ１０と同心状に配置されて燃焼器ライナ１０及びマルチバーナ６を径方向外側から包囲している。このフロースリーブ１１はケーシング４に固定されていて、上流側端部は焼器カバー１４で閉止されている。また、上記尾筒外筒１３はフロースリーブ１１の下流側の端部に連結されていて、尾筒内筒１２の外周を包囲している。尾筒内筒１２と尾筒外筒１３の間の環状の流路には圧縮機１で圧縮された高圧空気１６が流入し、高圧空気１６はさらに燃焼器ライナ１０及びフロースリーブ１１の間の環状の空気流路をマルチバーナ６に向かって流れる。
【００３４】
燃料系統５１−５３はマルチバーナ６に接続されていて、マルチバーナ６に備えられた複数のバーナのうちの対応するものにガス燃料５０を供給する。燃料系統５１−５３は燃料流量調整弁６１−６３をそれぞれ備えており、燃料流量調整弁６１−６３の開度を調節することによってそれぞれ燃料系統５１−５３による燃料供給量が制御され、ひいてはタービン出力、発電量が制御される。なお、特に図示していないが、燃料系統５１−５３には燃料流量調整弁６１−６３の下流側又は上流側に燃料止め弁が設けられる場合があり、燃料止め弁の開閉によって燃料系統５１−５３を連通及び遮断することができる。燃料流量調整弁６１−６３で燃料を遮断できる場合は、燃料止め弁を省略する場合もある。燃料流量調整弁６１−６３や燃料止め弁は制御装置６４からの信号で駆動する。また、燃料系統５１−５３は１つの系統から３つに分岐したものであって、分岐部よりも上流側の部分には燃料遮断弁６０が設けられていて、燃料遮断弁６０を閉じることによって燃料系統５１−５３への燃料供給が遮断される。制御装置６４による燃料制御やマルチバーナ６の構成については後述する。
【００３５】
燃焼器２において、圧縮機１で圧縮された高圧空気１６は、ケーシング４内に充満した後、尾筒内筒１２と尾筒外筒１３の間の空間に流入し、フロースリーブ１１と燃焼器ライナ１０との間に形成された環状の流路を燃焼器カバー１４に向かって流れる。このとき、高圧空気１６は、尾筒内筒１２及び燃焼器ライナ１０を外壁面から対流冷却するとともに、その一部は燃焼器ライナ１０に設けた多数の冷却孔（図示せず）から燃焼器ライナ１０の内側に流入し、燃焼器ライナ１０をフィルム冷却する。燃焼器ライナ１０のフィルム冷却に使用されなかった残りの高圧空気１６は、空気孔プレート３１に開けられた多数の空気孔３２から燃焼用空気１７として燃焼室５に流入する。空気孔３２から燃焼器ライナ１０に流入した燃焼用空気１７は、燃料ノズル２５から噴射される燃料とともに燃焼室５で燃焼して高温燃焼ガス１８を生成する。この高温燃焼ガス１８は尾筒内筒１２を通ってタービン３に供給され、前述したようにタービン３を駆動する。
【００３６】
３．マルチバーナ
図２は実施例１に係る燃焼器に備えられたマルチバーナの構造を表す断面図を燃料系統及び制御装置とともに表した図、図３は図２に示したマルチバーナの空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。これらの図において説明済みの部材については既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００３７】
本実施例のマルチバーナ６は、中央バーナ３３、及び複数（本例では６つ）の外側バーナ３４を備えている。中央バーナ３３及び外側バーナ３４は、一対一の対応関係にある空気孔３２及び燃料ノズル２５を複数対備えている。空気孔３２は空気孔プレート３１に穿設されている。本実施例では、中央バーナ３３及び外側バーナ３４は１枚の空気孔プレート３１を共用していて、中央バーナ３３の一群の空気孔３２は空気孔プレート３１の中央の領域に、外側バーナ３４の一群の空気孔３２はその外周側の領域に配置されている。外側バーナ３４は中央バーナ３３を中心とする円上に一定のピッチ（本例では６０°ピッチ）で配置されている。また、中央バーナ３３及び外側バーナ３４は、それぞれ同心円状の複数の空気孔列３５を備えている。空気孔列３５は複数の空気孔３２を一定の間隔で環状に配置したものであり、本実施例では中央バーナ３３及び外側バーナ３４のそれぞれにおいて空気孔列３５を３列設けてある。以下の説明では、中央バーナ３３及び外側バーナ３４のそれぞれにおいて、最も内側の空気孔列を「１列目の空気孔列」、最も外側の空気孔列を「３列目の空気孔列」、それらの間の空気孔列を「２列目の空気孔列」という。各空気孔３２は平板状の空気孔プレート３１の裏面（燃料ノズル２５側の面）から表面（燃焼室５側の面）に貫通しており、それぞれ燃焼器ライナ１０の中心軸線と平行な軸線に対して各々が属する空気孔列３５の周方向の一方側に傾斜している。本実施例では、各空気孔列３５のＰＣＤ（ピッチ円直径）を空気孔プレート３１の表裏面で等しくしてある。
【００３８】
中央バーナ３３及び外側バーナ３４の燃料ノズル２５は燃料ヘッダ２３ａ−２３ｃに接続している。燃料ヘッダ２３ａ−２３ｃは燃料系統５１−５３と接続していて、それぞれ燃料系統５１−５３からのガス燃料５０を分配して多数の燃料ノズル２５に供給するものである。燃料ヘッダ２３ａは中央バーナ３３の燃料ノズル２５に接続している。また、複数の外側バーナ３４は２つの群に区分されていて、燃料ヘッダ２３ｂ，２３ｃはこれらの群にそれぞれ接続している。一例としては、環状に配置された複数の外側バーナ３４に対して燃料ヘッダ２３ｂ，２３ｃを交互に接続する構成である。
【００３９】
ガスタービンは起動から定格負荷まで幅広い運転条件下で安定に駆動する必要があるため、起動から低負荷の運転条件下では中央バーナ３３単独で運用し、負荷の上昇に伴って燃料を供給するバーナの個数を増やしていき、最後に全てのバーナに燃料を供給して定格運転に移行する。このような運転をすることでバーナそれぞれにおける燃空比を一定以上に保つことで安定に火炎を保持することができる。
【００４０】
（１）外側バーナ
図４は外側バーナ３４の断面図、図５は外側バーナ３４を燃焼室側から見た正面図である。これらの図において説明済みの部材については既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００４１】
前述したように、空気孔プレート３１には同心円周状の３列の空気孔列３５は設けられている。空気孔３２はバーナ中心軸４４に対して傾斜しているため、空気孔３２から燃焼室５に噴出する燃焼用空気１７は、バーナ中心軸４４を含む二次元平面上に投影すると空気流線４３として示したように外側バーナ３４の径方向の外側に広がって流れる。このように空気流にバーナ周方向速度成分を付与することによって外側バーナ３４の下流においてバーナ中心軸４４周りに旋回流４０が形成され、循環流４１が形成される。この循環流４１によって１列目の空気孔列３５よりも内側の領域を起点にして、下流に向かって半径方向外側に広がる円錐状の火炎４２が保炎される。
【００４２】
このとき、１列目の空気孔列３５において周方向に隣り合う空気孔３２の出口間の最小間隙を空気孔間距離ｄ、外側バーナ３４から噴出する燃料によって形成される火炎の消炎距離をＤと定義する。空気間距離ｄは空気孔列３５によって異なっていても良いが、ここでは１−３列目の各空気孔列３５で等しいこととする。本実施例においては、ガスタービンの起動から定格負荷までの全ての運転条件下で消炎距離Ｄが空気孔間距離ｄを超えないように、運転中に変動する火炎の消炎距離Ｄの最小値に対して空気孔間距離ｄを狭く設定してある（ｄ＜Ｄ）。
【００４３】
ここで、「消炎距離」とは、例えば対向する２枚の板の間隔を狭めていくと当該２枚の板の間を火炎が伝播できなくなる場合に、火炎が伝播できなくなる限界値をいう。前述した通り一例として図６にメタンの当量比に対する消炎距離の関係を示す。メタンの場合には当量比０．９−１の間で消炎距離は最小値をとり、そこから当量比の値が離れていくにつれて消炎距離が長くなっていくことが一般的に知られている。従って、燃焼用空気１７の流量に対するガス燃料５０の噴射量が変化して燃空比が変化することで、消炎距離Ｄは変動する。次に、この消炎距離と空気孔間距離ｄとの関係が、本実施例に係るバーナにおいてどのように作用し得るかを説明する。
【００４４】
図７は外側バーナ３４の１列目の空気孔列３５のバーナ中心軸４４側から見た断面の展開図である。詳細には、図７は各空気孔３２の中心線を含む外側バーナ３４の円弧状断面を展開した図である。この図において説明済みの部材については既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００４５】
図７に示したように、空気孔３２から噴出した予混合気４６は周囲に拡散しながら下流に向かって流れ、周方向に隣り合う空気孔３２から噴出した予混合気４６と合流する。すると、周方向に隣り合う２つの空気孔３２を隔てる空気孔プレート３１の近傍には、当該空気孔プレート３１、及び当該空気孔プレート３１の両側の空気孔３２からの予混合気４６の噴流に囲まれた、最大幅がｄの空間４７が生じる。この空間４７には小さな循環流４５が生じていて、予混合気４６の一部が取り込まれて充満している。１列目の空気孔列３５の内側（図７中の紙面に直交する方向の手前側）の領域を基点に保持される火炎が１列目の空気孔列３５よりも外側（図７中の紙面に直交する方向の奥側）に伝播するには、この領域４７を火炎が伝播しなければならない。前述した消炎距離の定義に当てはめる場合、周方向に隣り合う空気孔３２から噴出する予混合気４６の噴流が２枚の板に相当するため、予混合気４６の噴流の間の空間４７の幅の最大値と同等である空気孔間距離ｄが消炎距離Ｄよりも狭ければ、１列目の空気孔列３５の内側に保持される火炎は１列目の空気孔列３５の外側には理論上伝播しない。
【００４６】
前述したように、本実施例においては、外側バーナ３４の１列目の空気孔列３５の空気孔間距離ｄは全ての運転条件下で消炎距離Ｄより狭くなるように設定されている。そのため、外側バーナ３４の中央部に形成された火炎４２（図４参照）は、これを取り囲む空気孔プレート３１や予混合気４６の噴流に熱を奪われて空間４７を通過することができない。その結果、外側バーナ３４では、ガスタービンの負荷によらず１列目の空気孔列３５の内側の領域を起点に円錐状の火炎４２が形成される。
【００４７】
（２）中央バーナ
図８は中央バーナ３３の断面図、図９は中央バーナ３３を燃焼室側から見た正面図である。これらの図において説明済みの部材については既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００４８】
外側バーナ３４と同様に中央バーナ３３の空気孔プレート３１には空気孔３２が３列の同心円周上に配置されている。空気孔３２はバーナ中心軸４４に対して傾斜しており、外側バーナ３４と同様に空気孔３２から噴出する空気噴流は空気流線４３に示すように外側に広がって流れる。空気流にバーナ周方向速度成分を付与することによって中央バーナ３３の下流域に旋回流４０が形成され、バーナ中心軸４４の周りに循環流４１が形成される。中央バーナ３３の各空気孔列３５の空気孔間距離ｄは、起動時等の中央バーナ３３のみに燃料を供給して運用する運転条件下で形成される火炎の消炎距離Ｄより広く、全てのバーナに燃料を供給し燃空比を低くして運用する運転条件下で形成される火炎の消炎距離Ｄより狭くしてある。空気孔間距離ｄは空気孔列３５によって異なっていても良いが、本実施例では各空気孔列３５において空気孔間距離ｄは等しいこととする。
【００４９】
ここで、図１０は中央バーナ３３の１列目の空気孔列３５のバーナ中心軸４４側から見た断面の展開図である。この図において説明済みの部材については既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００５０】
外側バーナ３４と同様に、中央バーナ３３において空気孔３２から噴出した予混合気４６は周囲に拡散しながら下流に向かって流れ、周方向に隣り合う予混合気４６の噴流と合流する。空気孔プレート３２における周方向に隣接する２つの空気孔３２を隔てる部位と隣接する２つの予混合気噴流４６とで囲まれた空間４７には小さな循環流４５が生じていて、予混合気の一部が取り込まれて充満している。制御装置６５によって中央バーナ３３に供給する燃料流量を調節し、ｄ＜Ｄとなるように制御することによって火炎が空間４７を伝播できなくなり、１列目の空気孔列３５の内側のみを起点にした円錐状の火炎４２（図８参照）を形成することができる。一方、ｄ＞Ｄとなるように制御装置で燃料流量を調整すると、火炎４２が空間４７を伝播して２列目の空気孔列３５の付近に到達する。２列目の空気孔列３５でも空間４７に小さな循環流が形成されているため、そこで安定的に火炎が形成され、２列目の空気孔列３５の内側を起点に火炎が形成される。本実施例の場合、２列目及び３列目の空気孔列３５においてもｄ＞Ｄであるため、３列目の空気孔列３５の外周部まで基部の外縁を広げた火炎４２’（図８参照）が形成され、１列目−３列目の全ての空気孔３２の出口周囲で保炎される。
【００５１】
仮に２列目及び３列目の空気孔列３５の空気孔間距離ｄを全バーナに燃料を供給する運転条件下の消炎距離Ｄに対して広くした場合、起動時に３列目の空気孔列３５の外側まで広がった火炎４２’が一旦形成されると、定格負荷に移行するにあたって燃空比を下げても火炎４２’が残ってしまう。本実施例では、２列目及び３列目の空気孔列３５においても定格負荷条件における燃空比の消炎距離Ｄより空気孔間距離ｄを狭くしてあり、起動時に火炎４２’が形成されても、中央バーナ３３の燃空比を下げることによって２列目及び３列目の空気孔列３５においては空気孔３２の出口周囲から火炎が浮き上がり、円錐状の火炎４２に火炎形状を変えることができる。
【００５２】
４．制御装置・制御方法
図１１は起動から定格運転に移行する際の制御装置６４による火炎形状の制御手順を表すフローチャートである。
【００５３】
（ステップＳ１０１）
制御装置６４は、起動後、燃焼器２に供給する燃料流量を定格運転に移行するまで定められた手順に従って徐々に増やしていく。起動時は燃焼器２に供給する燃料流量が少ないため、全てのバーナ３３，３４に燃料を供給すると個々のバーナの燃空比が低くなって火炎を保持できない。そこで、制御装置６４により燃料流量調節弁６１−６３を制御して燃料系統５２，５３を遮断して燃料系統５１のみを開き、中央バーナ３３にのみ燃料を供給して局所的に燃空比を高くして運用する（図２参照）。前述したように、この段階では中央バーナ３３で形成される火炎の消炎距離Ｄは同バーナの空気孔間距離ｄより小さいため、中央バーナ３３では３列目の空気孔列３５よりも外側まで基部が広がった火炎４２’が形成される（同図参）。
【００５４】
（ステップＳ１０２）
中央バーナ３３のみに燃料を供給して運用している間、制御装置６４は、中央バーナ３３で形成する火炎４２’の消炎距離Ｄが同バーナにおける空気孔間距離ｄを超えない範囲で中央バーナ３３に供給される燃料流量が増すように、燃料系統５１への燃料流量指令値Ｓ５１を増大させて燃料流量調整弁６１の開度を上げていく。この間、制御装置６４は、燃料流量指令値Ｓ５１がステップＳ１０２における目標値Ｓ５１１（設定値）に到達したかどうかを判定しており、燃料流量指令値Ｓ５１が目標値Ｓ５１１に到達するまで中央バーナ３３の燃料噴射量を増やしつつ中央バーナ３３のみによる運用を継続する。そして、燃料流量指令値Ｓ５１が目標値Ｓ５１１に到達したら、制御装置６４は手順をステップＳ１０３に移す。
【００５５】
（ステップＳ１０３）
ステップＳ１０３に手順を移すと、制御装置６４は、燃料系統５２，５３を開いて外側バーナ３４への燃料供給を開始し、全バーナによる運用に移行する。全バーナに燃料を供給することで、中央バーナ３３の局所燃空比は起動時よりも低下する。そして、外側バーナ３４はもとより中央バーナ３３においても空気孔間距離ｄに対して火炎の消炎距離Ｄが長くなり、中央バーナ３３の火炎形状は１列目の空気孔列３５の内側を起点にした円錐状に切り替わる。火炎形状の切り替えの点では制御装置６４による制御手順はこれで終了する。但し、全バーナに燃料を供給する運用に移行したあと定格負荷に達するまでの間、制御装置６４は、中央バーナ３３及び外側バーナ３４の双方において火炎４２の消炎距離Ｄが各バーナにおける空気孔間距離ｄを下回らない範囲で、それらバーナに供給される燃料流量が増すように、燃料系統５１−５３への燃料流量指令値Ｓ５１−Ｓ５３を増大させて燃料流量調整弁６１−６３の開度を上げていく。
【００５６】
５．作用効果
本実施例によれば、予混合気を燃焼して燃焼ガスを発生させる方式であるためＮＯｘ排出量が拡散燃焼方式の燃焼器に比べて抑えられる。
【００５７】
ここで、起動時のように中央バーナ３３のみに燃料を供給する運転条件下では外側バーナ３４には火炎が形成されないため、外側バーナ３４から噴出した空気４９（図２参照）が中央バーナ３３から噴出する予混合気に干渉する。仮に定格負荷運転時のように中央バーナ３３で形成する火炎が円錐状であると、中央バーナ３３の２列目及び３列目の空気孔３２から噴出して十分に燃焼する前の予混合気４６に外側バーナ３４からの空気が干渉する。そのため、局所の燃空比と温度が低下してしまい、燃焼反応が進まなくなって多量の未燃分が排出される恐れがある。
【００５８】
それに対し、本実施例では、起動時を含めて中央バーナ３３のみに燃料を供給する運転条件下では、同バーナで形成される火炎４２’の消炎距離Ｄが同バーナの空気孔間距離ｄよりも短くなるため、当該火炎４２’の基部の外縁は同バーナの３列目の空気孔列３５よりも外側まで拡大する。そのため、１列目の空気孔列３５から噴出する予混合気４６のみならず２列目及び３列目の空気孔列３５から噴出する予混合気４６についても、空気孔３２から燃焼室５に噴出して直ぐに火炎４２’に到達して燃焼反応を開始する。したがって、外側バーナ３４から噴出した燃焼用空気が中央バーナ３３の３列目の空気孔列３５から噴出した予混合気４６に干渉する位置では当該予混合気４６は燃焼反応が十分に進行し昇温した状態にあるため、外側バーナ３４からの空気との混合によって燃空比を下げて未燃分の排出が壮大することを抑制することができる。
【００５９】
一方、定格運転時を含めて全バーナに燃料を供給する運転条件下では、全バーナに燃料が分配されることで、中央バーナ３３の局所燃空比は起動時よりも低下してＮＯｘ排出量が抑えられる。このとき、前述したように中央バーナ３３で形成する火炎４２の消炎距離Ｄは同バーナ３３の空気孔間距離ｄよりも長くなるため、当該火炎４２の基部の外縁は同バーナの１列目の空気孔列３５よりも内側に縮小し、火炎４２の形状は円錐形に変化する。この場合、中央バーナ３３の２列目及び３列目の空気孔３２から噴出した予混合気４６が火炎４２に到達するまでの距離を確保することができる。すなわち、２列目及び３列目の空気孔３２から噴出する予混合気４６は火炎４２に到達するまでに更に均一に空気と混合し、均一な燃焼を促進することによって更にＮＯｘを抑制することができる。外側バーナ３４については、常に火炎形状が円錐形になるためＮＯｘが抑えられている。また、全バーナで火炎が形成されているため、円錐状の火炎を形成しても空気によって燃焼反応を阻害されることがなく、未燃分の排出も増加しない。
【００６０】
以上のように、一つのバーナ構造で火炎形状を変化させて燃焼モードを切り替えることが可能となり、起動時を含めた一部のバーナに燃料を供給する運転条件下の未燃分の排出量を抑制しつつ、定格負荷時を含めた全バーナに燃料を供給する運転条件下においては低ＮＯｘ燃焼を達成することができる。
【実施例２】
【００６１】
図１３は実施例２に係る燃焼器に備えられたマルチバーナの空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図、図１４は同マルチバーナの部分負荷運転時の燃料供給対象を模式的に表した図である。図１３は実施例１の図３に対応する図である。これらの図において説明済みの部材については既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００６２】
本実施例が実施例１と相違する点は、中央バーナ３３のみならず一部の外側バーナ３４においても火炎形状を制御する点である。ガスタービンは起動から定格負荷まで幅広い条件を運転する必要があり、負荷の上昇とともに燃料流量が増加する。本実施例では、６つの外側バーナ３４を周方向に交互に外側バーナ３４ａ（図１４においては網掛けで示した）と外側バーナ３４ｂとに区分し、中央バーナ３３及び外側バーナ３４ａ，３４ｂにはそれぞれ燃料系統５１−５３（図１参照）が接続されている。その他の構成は実施例１と同様である。
【００６３】
そして、本実施例では、これら中央バーナ３３及び２群の外側バーナ３４ａ，３４ｂの燃料供給スケジュールが分けてある。具体的には、負荷の低い条件では中央バーナ３３（図１４においてはハッチングで示した）を単独で燃焼させ、負荷が上昇し燃料流量が増加すると図１４に示すように中央バーナ３３に加えて３つの外側バーナ３４ａに燃料を供給し、さらに負荷が上昇し燃料流量が増加すると、残り３つの外側バーナ３４ｂにも燃料を供給して全バーナに燃料を均等に供給する。
【００６４】
図１５は本実施例に係る燃焼器における起動から定格運転に移行する際の制御装置６４による火炎形状の制御手順を表すフローチャートである。
【００６５】
（ステップＳ２０１，Ｓ２０２）
ステップＳ２０１，Ｓ２０２は実施例１のステップＳ１０１，Ｓ１０２と同様である。本実施例において、制御装置６４は、燃料流量指令値Ｓ５１が同ステップにおける目標値Ｓ５１１に達したら、ステップＳ２０２からステップＳ２０３に手順を移す。
【００６６】
（ステップＳ２０３，Ｓ２０４）
ステップＳ２０３に手順を移したら、制御装置６４は、燃料系統５２による外側バーナ３４ａへの燃料供給を開始して部分負荷運転を開始する。続くステップＳ２０４において、制御装置６４は、中央バーナ３３及び外側バーナ３４ａのみに燃料を供給して運用している間、中央バーナ３３及び外側バーナ３４ａで形成する火炎４２’（図８参照）の消炎距離Ｄがそれらバーナにおける空気孔間距離ｄを超えない範囲で、中央バーナ３３及び外側バーナ３４ａに供給される燃料流量が増すように、燃料系統５１，５２への燃料流量指令値Ｓ５１，Ｓ５２を増大させて燃料流量調整弁６１，６２の開度を上げていく。この間、制御装置６４は、燃料流量指令値Ｓ５１，Ｓ５２が同ステップにおける目標値Ｓ５１２，Ｓ５２１に到達したかどうかを判定しており、燃料流量指令値Ｓ５１，Ｓ５２が目標値Ｓ５１２，Ｓ５２１に到達するまで中央バーナ３３及び外側バーナ３４ａの燃料噴射量を増やしつつ部分負荷運転を継続する。部分負荷運転の間、中央バーナ３３及び外側バーナ３４ａの火炎４２’は３列目の空気孔列３５よりも外側まで基部の外縁を広げているため、外側バーナ３４ｂからの燃焼用空気が流入しても燃空比の低下による未燃分の増加は抑えられる。そして、燃料流量指令値Ｓ５１，Ｓ５２が目標値Ｓ５１２，Ｓ５２１に到達したら、制御装置６４は手順をステップＳ２０５に移す。
【００６７】
（ステップＳ２０５）
ステップＳ２０５は実施例１のステップＳ１０３と実質的に同じであり、本ステップによって全バーナに燃料を供給する運転に移行する。この運転条件下では、全バーナにおいて空気孔間距離ｄよりも火炎の消炎距離Ｄが長くなり、全火炎が円錐状になる。火炎形状の切り替えの点では制御装置６４による制御手順はこれで終了する。但し、全バーナに燃料を供給する運用に移行したあと定格負荷に達するまでの間、制御装置６４は、中央バーナ３３及び外側バーナ３４ａ，３４ｂにおいて火炎４２の消炎距離Ｄが各バーナにおける空気孔間距離ｄを下回らない範囲でそれらバーナに供給される燃料流量が増すように、燃料系統５１−５３への燃料流量指令値Ｓ５１−Ｓ５３を増大させて燃料流量調整弁６１−６３の開度を上げていく。
【００６８】
本実施例にように部分負荷運転時に中央バーナ３３及び外側バーナ３４ａのみに燃料を供給する運転モードを実行する場合、残りの外側バーナ３４ｂから中央バーナ３３や外側バーナ３４ａに空気が流入し、仮に中央バーナ３３及び外側バーナ３４ａの火炎が円錐状であれば燃料の未燃分が増加し得る。これに対し、本実施例は、起動時を含めた中央バーナ３３の単独燃焼時は勿論、外側バーナ３４ａに燃料を供給する部分負荷運転時においても、万全に未燃分の排出を抑制することができる。
【実施例３】
【００６９】
図１６は実施例３に係る燃焼器に備えられた中央バーナを燃焼室側から見た正面図であり、実施例１の図９に対応する図である。この図において説明済みの部材については既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００７０】
本実施例が実施例１と相違する点は、中央バーナ３３の１−３列目の空気孔列３５における各空気孔間距離ｄ１−ｄ３が異なる点である。具体的には、１列目の空気孔列３５の空気孔間距離ｄ１が、２列目及び３列目の空気孔列３５の各空気孔間距離ｄ２，ｄ３より大きくしてある。そして、定格負荷条件等の全バーナに燃料を供給する運転条件下において、中央バーナ３３における燃空比を調節して火炎の消炎距離Ｄを２，３列目の空気孔間距離ｄ１，ｄ２よりは長く、１列目の空気孔列３５の空気孔間距離ｄ１よりは短くなるように制御する（ｄ２，ｄ３＜Ｄ＜ｄ１）。空気孔間距離ｄ１，ｄ２の大小関係は問わない。その他の点、例えばその他の構成や中央バーナ３３を単独で燃焼させる運転条件下の運用については実施例１と同様である。すなわち、中央バーナ３３を単独で燃焼させる運転条件下では、ｄ１，ｄ２，ｄ３＞Ｄとなるように燃料流量が制御される。
【００７１】
本実施例によれば、全バーナに燃料を供給する運転条件下では、火炎の基部は１列目の空気孔列３５の空間４７（図７参照）を通過して１列目の空気孔列３５の外側に広がるが、２列目の空気孔列３５の領域４７は通過することができない。そのため、基部の外縁が１，２列目の空気孔列３５の間にある円錐状の火炎が形成される。そのため、３列目の空気孔３２から噴出した予混合気４６は空気との混合が更に促進され、ＮＯｘを抑制することができる。そして、１列目の空気孔列３５の内側まで火炎の基部を狭める場合に比べて、保炎領域が広くなった分だけ燃焼安定性を強化することできる。ＮＯｘ抑制の効果と燃焼安定性の効果の双方を考慮して実施例１と本実施例とを適宜選択することで、柔軟に燃焼器を設計することができる。
【００７２】
なお、本実施例の特徴は、実施例２における外側バーナ３４ａの構成、及び部分負荷運転時の外側バーナ３４ａの運用にも適用可能である。また、火炎形状制御の非対象である外側バーナ３４（実施例２では外側バーナ３４ｂ）についても、全バーナに燃料を供給する運転条件下では１列目と３列目の空気孔列３５の間に火炎の基部の外縁が来るように各空気孔列３５の空気孔間距離ｄ１−ｄ３を設定する構成とすることができる。
【実施例４】
【００７３】
図１７は実施例４に係る燃焼器に備えられた中央バーナ３３の断面図であって実施例１の図８に対応する図である。この図において説明済みの部材については既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００７４】
本実施例は実施例３と同じく、一部のバーナのみに燃料を供給する運転条件下において、燃料が供給されたバーナの火炎の基部の外縁が少なくとも１列目の空気孔列３５の外側で且つ少なくとも３列目の空気孔列３５の内側に来るようにする例である。すなわち、実施例３では、一部のバーナにのみ燃料を供給する運転条件下で形成される火炎の消炎距離Ｄに対して、１列目の空気孔列３５の空気孔間距離ｄ１を大きく、２，３列目の空気孔列３５の空気孔間距離ｄを小さく設定する場合を例示した。それに対し、本実施例では、１−３列目の空気孔間距離ｄに対して、１列目の空気孔列３５から噴出する予混合気４６による消炎距離Ｄ１が短く、２，３列目の空気孔列３５から噴出する予混合気４６による消炎距離Ｄ２，Ｄ３が長くなるように燃料流量を制御する。１−３列目の空気孔列における各空気孔間距離ｄは、一部のバーナにのみ燃料を供給する運転条件下でＤ１−Ｄ３との大小関係が上記条件を満足する範囲内で適宜異なっていても良いし、同じであっても良い。一具体例として、本実施例では、中央バーナ３３に接続する燃料系統５１（図１参照）を燃料系統５１ａ，５１ｂに分岐させて、１列目の空気孔列３５には対応する燃料ヘッダを介して燃料系統５１ａを、２，３列目の空気孔列３５には対応する燃料ヘッダを介して燃料系統５１ｂをそれぞれ接続してある。燃料流量調整弁についても、燃料系統５１ａ，５１ｂの各燃料流量を調整するものとして、燃料系統５１ａ，５１ｂにそれぞれ燃料流量調整弁６１ａ，６１ｂを設けてある。勿論、燃料流量調整弁６１ａ，６１ｂは制御装置６４の信号によって制御される。その他の構成は実施例１と同様である。
【００７５】
図１８は本実施例に係る燃焼器における起動から定格運転に移行する際の制御装置６４による中央バーナ３３への燃料供給量の制御手順を表すフローチャートである。
【００７６】
（ステップＳ３０１）
起動時には、前の各実施例と同様、中央バーナ３３を単独で燃焼させる。その際、本実施例では、中央バーナ３３の１−３列目の空気孔列３５から噴出する予混合気４６による各消炎距離Ｄ１−Ｄ３を空気孔間距離ｄよりも短く調節する。具体的には、燃料系統５１ａ，５１ｂの燃料流量調整弁６１ａ，６１ｂを制御して消炎距離Ｄ１−Ｄ３を調節する。この状態下では、中央バーナ３３で形成される火炎は、図８の火炎４２’のように基部の外縁が３列目の空気孔列３５よりも外側に来る。
【００７７】
（ステップＳ３０２）
中央バーナ３３のみに燃料を供給して運用している間、制御装置６４は、中央バーナ３３における消炎距離Ｄ１−Ｄ３と空気孔間距離ｄとの間で上記関係（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３＜ｄ）を保つ範囲で中央バーナ３３に供給される燃料流量が増すように、燃料系統５１ａ，５１ｂへの燃料流量指令値Ｓ５１ａ，Ｓ５１ｂを増大させて燃料流量調整弁６１ａ，６１ｂの開度を上げていく。この間、制御装置６４は、燃料流量指令値Ｓ５１ａ，Ｓ５１ｂがステップＳ３０２における目標値Ｓ５１ａ１，Ｓ５１ｂ１（設定値）に到達したかどうかを判定しており、燃料流量指令値Ｓ５１ａ，Ｓ５１ｂが目標値Ｓ５１ａ１，Ｓ５１ｂ１に到達するまで中央バーナ３３の燃料噴射量を増やしつつ中央バーナ３３のみによる運用を継続する。そして、燃料流量指令値Ｓ５１ａ，Ｓ５１ｂが目標値Ｓ５１ａ１，Ｓ５１ｂ１に到達したら、制御装置６４は手順をステップＳ３０３に移す。
【００７８】
（ステップＳ３０３）
ステップＳ３０３に手順を移すと、制御装置６４は、燃料系統５２，５３（図１参照）を開いて外側バーナ３４への燃料供給を開始し、全バーナによる運用に移行する。全バーナに燃料を供給することで、中央バーナ３３の局所燃空比は起動時よりも低下する。これに伴って、中央バーナ３３においては、２，３列目の空気孔列３５から噴出する予混合気４６による消炎距離Ｄ１が空気孔間距離ｄよりも短く、１列目の空気孔列３５から噴出する予混合気４６による消炎距離Ｄ２が空気孔間距離ｄよりも長くなるように燃料系統５１ａ，５１ｂの燃料流量の配分を調節する。具体的には、燃料系統５１ａ，５１ｂの燃料流量調整弁６１ａ，６１ｂを制御して、例えば、２，３列目の空気孔３２から噴出する予混合気に対して１列目の空気孔３２から噴出する予混合気４６の燃空比を上げる。この状態下では、中央バーナ３３で形成される火炎の形状は、基部の外縁が１列目及び２列目の空気孔列３５の間に来る円錐状に切り替わる。火炎形状の切り替えの点では制御装置６４による制御手順はこれで終了する。但し、全バーナに燃料を供給する運用に移行したあと定格負荷に達するまでの間、制御装置６４は、中央バーナ３３及び外側バーナ３４の双方において火炎形状が変化しない範囲でそれらバーナに供給される燃料流量を増加させていく。
【００７９】
本実施例においても実施例３と同様の効果が得られる。
【００８０】
なお、本実施例の特徴は、実施例２における外側バーナ３４ａの構成、及び部分負荷運転時の外側バーナ３４ａの運用にも適用可能である。また、火炎形状制御の非対象である外側バーナ３４（実施例２では外側バーナ３４ｂ）については、全バーナに燃料を供給する運転条件下で１列目と３列目の空気孔列３５の間に火炎の基部の外縁が来るように各空気孔列３５の空気孔間距離ｄ１−ｄ３を設定することで、全バーナに燃料を供給する運転条件下で中央バーナ３３と同様の形状の火炎を非対象のバーナでも形成することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１              圧縮機
３              タービン
８              発電機（負荷機器）
９              ガスタービン設備
２              燃焼器
２５            燃料ノズル
３１            空気孔プレート
３２            空気孔
３３            中央バーナ
３４            外側バーナ
３５            空気孔列
４６            予混合気
５０            ガス燃料（燃料）
５１−５３      燃料系統
６４            制御装置
ｄ，ｄ１−ｄ３  空気孔間距離
Ｄ，Ｄ１−Ｄ３  消炎距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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