(57)【要約】【課題】本発明の目的は、燃料中の水素濃度の変動に起因してガスタービン燃焼器に信頼性上の問題を回避すると共に、低ＮＯｘ燃焼性能を維持し得るガスタービン燃焼器の制御装置を提供する。【解決手段】ガスタービン燃焼器に備えたバーナは燃焼器全体の保炎を担う拡散燃焼を行うパイロットバーナと、パイロットバーナの外周側に複数個設置されて低ＮＯｘ燃焼を行う予混合燃焼を行うメインバーナとで構成し、パイロットバーナに燃料を供給するパイロット燃料供給系統とメインバーナに燃料を供給するメイン燃料供給系統を配設し、少なくともメインバーナに燃料を供給するメイン燃料系統に燃料に含まれる水素濃度を検出する水素濃度検出器を設け、この検出した水素濃度に基づいてパイロット燃料供給系統を通じてパイロットバーナに供給される燃料の流量と、メイン燃料供給系統を通じてメインバーナに供給される燃料の流量との配分を制御する制御装置を設置した。【選択図】図１
2011074844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料組成に水素を含む燃料を燃焼するバーナを備えたガスタービン燃焼器の制御装置において、
ガスタービン燃焼器に備えた前記バーナはガスタービン燃焼器全体の保炎を担う拡散燃焼を行うパイロットバーナと、前記パイロットバーナの外周側に複数個設置されて低ＮＯｘ燃焼を行う予混合燃焼を行うメインバーナとで構成し、
ガスタービン燃焼器のバーナに燃料を供給する燃料系統として前記パイロットバーナに燃料を供給するパイロット燃料供給系統と前記メインバーナに燃料を供給するメイン燃料供給系統をそれぞれ配設し、
ガスタービン燃焼器の少なくともメインバーナに燃料を供給する前記メイン燃料系統に燃料に含まれる水素濃度を検出する水素濃度検出器を設け、
前記水素濃度検出器で検出した燃料に含まれる水素濃度の値に基づいて前記パイロット燃料供給系統を通じて前記パイロットバーナに供給される燃料の流量と、前記メイン燃料供給系統を通じて前記メインバーナに供給される燃料の流量との配分を制御する制御装置を設置したことを特徴とするガスタービン燃焼器の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービン燃焼器の制御装置において、
前記前記メインバーナは、複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルに対応して空気プレートに形成された空気孔とが同軸に配置されていることを特徴とするガスタービン燃焼器の制御装置。
【請求項３】
燃料組成に水素を含む燃料と、燃料組成に水素を含まない起動用燃料を燃焼するバーナを備えたガスタービン燃焼器の制御装置において、
ガスタービン燃焼器に備えた前記バーナはガスタービン燃焼器全体の保炎を担う拡散燃焼を行うパイロットバーナと、前記パイロットバーナの外周側に複数個設置されて低ＮＯｘ燃焼を行う予混合燃焼を行うメインバーナとで構成し、
ガスタービン燃焼器のバーナに燃料を供給する燃料系統として前記パイロットバーナに燃料組成に水素を含まない起動用燃料を供給するパイロット燃料供給系統と前記メインバーナに燃料組成に水素を含む燃料を供給するメイン燃料供給系統をそれぞれ配設し、
前記メイン燃料系統に燃料に含まれる水素濃度を検出する酸素濃度検出器を設け、
前記水素濃度検出器で検出した燃料に含まれる水素濃度の値に基づいて前記メイン燃料系統を通じて前記メインバーナに供給される燃料の流量と、前記パイロット燃料系統を通じて前記パイロットバーナに供給される燃料の流量との配分を制御する制御装置を設置したことを特徴とするガスタービン燃焼器の制御装置。
【請求項４】
燃料組成に水素を含む燃料と、燃料組成に水素を含まない起動用燃料を燃焼するバーナを備えたガスタービン燃焼器の制御装置において、
ガスタービン燃焼器に備えた前記バーナはガスタービン燃焼器全体の保炎を担う拡散燃焼を行うパイロットバーナと、前記パイロットバーナの外周側に複数個設置されて低ＮＯｘ燃焼を行う予混合燃焼を行うメインバーナとで構成し、
ガスタービン燃焼器のバーナに燃料を供給する燃料系統として前記パイロットバーナに燃料組成に水素を含まない起動用燃料を供給するパイロット燃料供給系統と前記メインバーナに燃料組成に水素を含む燃料を供給するメイン燃料供給系統をそれぞれ配設し、
前記メインバーナは複数の燃料ノズルと前記燃料ノズルに対応して空気プレートに形成された複数の空気孔とが同軸に構成されて該前記メインバーナの内周側と外周側とに配置された同軸ノズルバーナを構成しており、
前記メイン燃料供給系統は前記メインバーナの内周側の同軸ノズルバーナに燃料を供給する内周側メイン燃料供給系統と、前記メインバーナの外周側の同軸ノズルバーナに燃料を供給する外周側メイン燃料供給系統とを備えており、
前記メイン燃料系統に燃料に含まれる水素濃度を検出する酸素濃度検出器を設け、
前記水素濃度検出器で検出した燃料に含まれる水素濃度の値に基づいて外周側メイン燃料供給系統を通じて前記メインバーナの外周側の同軸ノズルバーナに供給される燃料の流量と、前記内周側メイン燃料供給系統を通じて前記メインバーナの内周側の同軸ノズルバーナに供給される燃料の流量との配分を制御する制御装置を設置したことを特徴とするガスタービン燃焼器の制御装置。
【請求項５】
石炭から石炭ガスを生成する石炭ガス化炉と、石炭ガス化炉で生成した石炭ガスから二酸化炭素と水素を生成するシフト反応器と、石炭ガス化炉で生成した石炭ガスとシフト反応器で生成した水素とを含んだ石炭ガス化燃料を燃焼するガスタービン燃焼器を有するガスタービンを備えた二酸化炭素回収付ＩＧＣＣプラントであって、燃料組成に水素を含む燃料と、燃料組成に水素を含まない起動用燃料を燃焼するバーナを備えたガスタービン燃焼器の制御装置において、
ガスタービン燃焼器に備えた前記バーナはガスタービン燃焼器全体の保炎を担う拡散燃焼を行うパイロットバーナと、前記パイロットバーナの外周側に複数個設置されて低ＮＯｘ燃焼を行う予混合燃焼を行うメインバーナとで構成し、
ガスタービン燃焼器のバーナに燃料を供給する燃料系統として前記パイロットバーナに燃料組成に水素を含まない起動用燃料を供給するパイロット燃料供給系統と前記メインバーナに燃料組成に水素を含む燃料を供給するメイン燃料供給系統をそれぞれ配設し、
前記メインバーナは複数の燃料ノズルと前記燃料ノズルに対応して空気プレートに形成された複数の空気孔とが同軸に構成されて該前記メインバーナの内周側と外周側とに配置された同軸ノズルバーナを構成しており、
前記メイン燃料供給系統は前記メインバーナの内周側の同軸ノズルバーナに燃料を供給する内周側メイン燃料供給系統と、前記メインバーナの外周側の同軸ノズルバーナに燃料を供給する外周側メイン燃料供給系統とを備えており、
前記メイン燃料系統に燃料に含まれる水素濃度を検出する酸素濃度検出器を設け、
前記水素濃度検出器で検出した燃料に含まれる水素濃度の値に基づいて外周側メイン燃料供給系統を通じて前記メインバーナの外周側の同軸ノズルバーナに供給される燃料の流量と、前記内周側メイン燃料供給系統を通じて前記メインバーナの内周側の同軸ノズルバーナに供給される燃料の流量との配分を制御する制御装置を設置したことを特徴とするガスタービン燃焼器の制御装置。
【請求項６】
ガスタービン燃焼器に備えたバーナはガスタービン燃焼器全体の保炎を担う拡散燃焼を行うパイロットバーナと、パイロットバーナの外周側に複数個設置されて低ＮＯｘ燃焼を行う予混合燃焼を行うメインバーナとで構成して、燃料組成に水素を含む燃料を前記バーナで燃焼するガスタービン燃焼器の制御方法において、
ガスタービン燃焼器のバーナに燃料を供給する燃料系統として前記パイロットバーナに燃料を供給するパイロット燃料供給系統と前記メインバーナに燃料を供給するメイン燃料供給系統とがそれぞれ配設されており、
ガスタービン燃焼器の少なくともメインバーナに燃料を供給する前記メイン燃料系統に設けた水素濃度検出器によって燃料に含まれる水素濃度を検出し、
前記水素濃度検出器で検出した燃料に含まれる水素濃度の値に基づいて前記パイロット燃料供給系統を通じて前記パイロットバーナに供給される燃料の流量と、前記メイン燃料供給系統を通じて前記メインバーナに供給される燃料の流量との配分を制御する制御装置を設置したことを特徴とするガスタービン燃焼器の制御方法。
【請求項７】
ガスタービン燃焼器に備えたバーナはガスタービン燃焼器全体の保炎を担う拡散燃焼を行うパイロットバーナと、パイロットバーナの外周側に複数個設置されて低ＮＯｘ燃焼を行う予混合燃焼を行うメインバーナとで構成して、燃料組成に水素を含む燃料を前記バーナで燃焼するガスタービン燃焼器の制御方法において、
ガスタービン燃焼器に備えた前記バーナはガスタービン燃焼器全体の保炎を担う拡散燃焼を行うパイロットバーナと、前記パイロットバーナの外周側に複数個設置されて低ＮＯｘ燃焼を行う予混合燃焼を行うメインバーナとで構成されており、
ガスタービン燃焼器のバーナに燃料を供給する燃料系統として前記パイロットバーナに燃料組成に水素を含まない起動用燃料を供給するパイロット燃料供給系統と前記メインバーナに燃料組成に水素を含む燃料を供給するメイン燃料供給系統とがそれぞれ配設されており、
前記メイン燃料系統に設けた酸素濃度検出器によって燃料に含まれる水素濃度を検出し、
前記水素濃度検出器で検出した燃料に含まれる水素濃度の値に基づいて前記メイン燃料系統を通じて前記メインバーナに供給される燃料の流量と、前記パイロット燃料系統を通じて前記パイロットバーナに供給される燃料の流量との配分を制御する制御装置を設置したことを特徴とするガスタービン燃焼器の制御方法。
【請求項８】
ガスタービン燃焼器に備えたバーナはガスタービン燃焼器全体の保炎を担う拡散燃焼を行うパイロットバーナと、パイロットバーナの外周側に複数個設置されて低ＮＯｘ燃焼を行う予混合燃焼を行うメインバーナとで構成して、燃料組成に水素を含む燃料を前記バーナで燃焼するガスタービン燃焼器の制御方法において、
ガスタービン燃焼器に備えた前記バーナはガスタービン燃焼器全体の保炎を担う拡散燃焼を行うパイロットバーナと、前記パイロットバーナの外周側に複数個設置されて低ＮＯｘ燃焼を行う予混合燃焼を行うメインバーナとで構成されており、
ガスタービン燃焼器のバーナに燃料を供給する燃料系統として前記パイロットバーナに燃料組成に水素を含まない起動用燃料を供給するパイロット燃料供給系統と前記メインバーナに燃料組成に水素を含む燃料を供給するメイン燃料供給系統をそれぞれ配設し、
前記メインバーナは複数の燃料ノズルと前記燃料ノズルに対応して空気プレートに形成された複数の空気孔とが同軸に構成されて該前記メインバーナの内周側と外周側とに配置された同軸ノズルバーナによって構成されており、
前記メイン燃料供給系統として前記メインバーナの内周側の同軸ノズルバーナに燃料を供給する内周側メイン燃料供給系統と、前記メインバーナの外周側の同軸ノズルバーナに燃料を供給する外周側メイン燃料供給系統とが配設されており、
前記メイン燃料系統に設けた酸素濃度検出器によって燃料に含まれる水素濃度を検出し、
前記水素濃度検出器で検出した燃料に含まれる水素濃度の値に基づいて外周側メイン燃料供給系統を通じて前記メインバーナの外周側の同軸ノズルバーナに供給される燃料の流量と、前記内周側メイン燃料供給系統を通じて前記メインバーナの内周側の同軸ノズルバーナに供給される燃料の流量との配分を制御する制御装置を設置したことを特徴とするガスタービン燃焼器の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンプラントに設置されたガスタービン燃焼器の燃料流量制御に関し、特に燃料組成に水素を含む燃料によって運転される予混合燃焼方式のガスタービン燃焼器の制御装置およびガスタービン燃焼器の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発電コスト低減や資源有効利用のほか地球温暖化防止の観点からも、石油製油所で発生するオフガスや製鉄プロセスで発生するコークス炉ガス（ＣＯＧ：Ｃｏｋｅ  Ｏｖｅｎ  Ｇａｓ、以下ＣＯＧと略記する）などの水素（Ｈ２）を含む副生ガスを発電用ガスタービンに用いられるガスタービン燃焼器の燃料として有効利用することが求められている。
【０００３】
また、豊富な資源である石炭を酸素でガス化して発電する石炭ガス化発電プラント（ＩＧＣＣ：Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｏａｌ  Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｃｏｍｂｉｎｅｄ  Ｃｙｃｌｅ、以下ＩＧＣＣと略記する）では地球温暖化防止の観点より、石炭ガス化発電プラントのガスタービンに供給される燃料中の炭素分を分離・回収するシステムが国内外で検討されている。しかも地球環境保護の観点から石炭ガス化発電プラントの発電効率の向上と汚染排出物質の低減も強く求められている。
【０００４】
これらのガスタービン発電プラントでは製油所オフガスやＣＯＧで燃料成分の３０％〜６０％、二酸化炭素分離回収付ＩＧＣＣプラントでは燃料のほとんどの成分が水素となる。水素は燃焼速度が速いため、ガスタービン燃焼器内で火炎が燃焼器構造物に接近し信頼性上の問題を引き起こす可能性がある。
【０００５】
また、製油所のオフガスやＣＯＧのみならず、ＩＧＣＣプラントも二酸化炭素回収率の変化によって大きく水素濃度が変化するため、状況によって燃焼速度が増加してガスタービン構造物に火炎が接近し信頼性上の問題を引き起こすことに対処する対策が求められる。
【０００６】
上記の課題のうち、水素濃度の変化に対処する技術の一例として特開２００７−１１３４８７号公報には水素を燃料組成に含む低カロリーガス燃料において、ガスタービン負荷が急落した場合に、別途、水素ガスの必要量を燃料ガスに供給するようにしてガスタービンの失火を回避して燃焼器での安定燃焼を維持する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１１３４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特開２００７−１１３４８７号公報に開示されている技術は、ガスタービン負荷が急落した場合に必要最小出力を維持するものであり、広範な負荷範囲に対して水素濃度の変動に対処する技術は開示されていない。
【０００９】
水素は燃焼速度が速いため、ガスタービン燃焼器内で形成される火炎が燃焼器構造物に接近した場合は信頼性上の問題を引き起こす可能性が高い。
【００１０】
また、ガスタービン燃焼器の構造物に火炎の接近が起きないようにガスタービン燃焼器を設計した場合であっても、製油所のオフガスやＣＯＧのみならず、ＩＧＣＣプラントも二酸化炭素回収率の変化によって燃料ガスに含まれる水素濃度が大きく変化するため、水素濃度の変化の状況に応じてガスタービン燃焼器の構造物に火炎が接近することに対処することが求められる。
【００１１】
燃料ガスに含まれる水素濃度の変化に対してガスタービン燃焼器の信頼性を確保する燃焼方式としては、ガスタービン燃焼器の燃焼室に直接燃料のみを投入し、燃焼室内で燃料と空気の混合を行う拡散燃焼方式が有力であるが、この燃焼方式では最も燃焼しやすい混合気に対して火炎が形成されるため火炎温度が高くなり窒素酸化物（ＮＯｘ）排出量が増大しやすい。
【００１２】
地球環境保護の観点からは二酸化炭素削減の他に、酸性雨や光化学スモッグの主要な原因物質となるＮＯｘの低減も重要であり、幅広い水素濃度の変動に対応し、かつ低ＮＯｘ燃焼を行うガスタービン燃焼器の燃焼方式が必要となっている。
【００１３】
一方、低ＮＯｘ燃焼を行うには燃料と空気を予め燃料が量論混合比よりも希薄となるよう混合してガスタービン燃焼器に供給する予混合燃焼方式が有力であるが、この予混合燃焼方式ではガスタービン燃焼器の燃焼室に流入する前から可燃範囲の混合気が形成されているため、燃料ガスに含まれる水素濃度が変化すると燃焼室で形成される火炎の位置がガスタービン燃焼器の構造物に接近するのでガスタービン燃焼器の信頼性上の問題を引き起こす可能性が高くなる。
【００１４】
本発明の目的は、燃料中に含まれる水素濃度が変動する燃料をガスタービン燃焼器に用いた場合に、水素濃度の変動に起因して形成される火炎がガスタービン燃焼器の構造物に接近して信頼性上の問題を引き起こすことを回避すると共に、低ＮＯｘ燃焼性能を維持し得る予混合燃焼方式のガスタービン燃焼器の制御装置およびガスタービン燃焼器の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のガスタービン燃焼器の制御装置は、燃料組成に水素を含む燃料を燃焼するバーナを備えたガスタービン燃焼器の制御装置において、ガスタービン燃焼器に備えた前記バーナはガスタービン燃焼器全体の保炎を担う拡散燃焼を行うパイロットバーナと、前記パイロットバーナの外周側に複数個設置されて低ＮＯｘ燃焼を行う予混合燃焼を行うメインバーナとで構成し、ガスタービン燃焼器のバーナに燃料を供給する燃料系統として前記パイロットバーナに燃料を供給するパイロット燃料供給系統と前記メインバーナに燃料を供給するメイン燃料供給系統をそれぞれ配設し、ガスタービン燃焼器の少なくともメインバーナに燃料を供給する前記メイン燃料系統に燃料に含まれる水素濃度を検出する水素濃度検出器を設け、前記水素濃度検出器で検出した燃料に含まれる水素濃度の値に基づいて前記パイロット燃料供給系統を通じて前記パイロットバーナに供給される燃料の流量と、前記メイン燃料供給系統を通じて前記メインバーナに供給される燃料の流量との配分を制御する制御装置を設置したことを特徴とする。
【００１６】
また本発明のガスタービン燃焼器の制御装置は、燃料組成に水素を含む燃料と、燃料組成に水素を含まない起動用燃料を燃焼するバーナを備えたガスタービン燃焼器の制御装置において、ガスタービン燃焼器に備えた前記バーナはガスタービン燃焼器全体の保炎を担う拡散燃焼を行うパイロットバーナと、前記パイロットバーナの外周側に複数個設置されて低ＮＯｘ燃焼を行う予混合燃焼を行うメインバーナとで構成し、ガスタービン燃焼器のバーナに燃料を供給する燃料系統として前記パイロットバーナに燃料組成に水素を含まない起動用燃料を供給するパイロット燃料供給系統と前記メインバーナに燃料組成に水素を含む燃料を供給するメイン燃料供給系統をそれぞれ配設し、前記メイン燃料系統に燃料に含まれる水素濃度を検出する酸素濃度検出器を設け、前記水素濃度検出器で検出した燃料に含まれる水素濃度の値に基づいて前記メイン燃料系統を通じて前記メインバーナに供給される燃料の流量と、前記パイロット燃料系統を通じて前記パイロットバーナに供給される燃料の流量との配分を制御する制御装置を設置したことを特徴とする。
【００１７】
また本発明のガスタービン燃焼器の制御装置は、燃料組成に水素を含む燃料と、燃料組成に水素を含まない起動用燃料を燃焼するバーナを備えたガスタービン燃焼器の制御装置において、ガスタービン燃焼器に備えた前記バーナはガスタービン燃焼器全体の保炎を担う拡散燃焼を行うパイロットバーナと、前記パイロットバーナの外周側に複数個設置されて低ＮＯｘ燃焼を行う予混合燃焼を行うメインバーナとで構成し、ガスタービン燃焼器のバーナに燃料を供給する燃料系統として前記パイロットバーナに燃料組成に水素を含まない起動用燃料を供給するパイロット燃料供給系統と前記メインバーナに燃料組成に水素を含む燃料を供給するメイン燃料供給系統をそれぞれ配設し、前記メインバーナは複数の燃料ノズルと前記燃料ノズルに対応して空気プレートに形成された複数の空気孔とが同軸に構成されて該前記メインバーナの内周側と外周側とに配置された同軸ノズルバーナを構成しており、前記メイン燃料供給系統は前記メインバーナの内周側の同軸ノズルバーナに燃料を供給する内周側メイン燃料供給系統と、前記メインバーナの外周側の同軸ノズルバーナに燃料を供給する外周側メイン燃料供給系統とを備えており、前記メイン燃料系統に燃料に含まれる水素濃度を検出する酸素濃度検出器を設け、前記水素濃度検出器で検出した燃料に含まれる水素濃度の値に基づいて外周側メイン燃料供給系統を通じて前記メインバーナの外周側の同軸ノズルバーナに供給される燃料の流量と、前記内周側メイン燃料供給系統を通じて前記メインバーナの内周側の同軸ノズルバーナに供給される燃料の流量との配分を制御する制御装置を設置したことを特徴とする。
【００１８】
また本発明のガスタービン燃焼器の制御装置は、石炭から石炭ガスを生成する石炭ガス化炉と、石炭ガス化炉で生成した石炭ガスから二酸化炭素と水素を生成するシフト反応器と、石炭ガス化炉で生成した石炭ガスとシフト反応器で生成した水素とを含んだ石炭ガス化燃料を燃焼するガスタービン燃焼器を有するガスタービンを備えた二酸化炭素回収付ＩＧＣＣプラントであって、燃料組成に水素を含む燃料と、燃料組成に水素を含まない起動用燃料を燃焼するバーナを備えたガスタービン燃焼器の制御装置において、ガスタービン燃焼器に備えた前記バーナはガスタービン燃焼器全体の保炎を担う拡散燃焼を行うパイロットバーナと、前記パイロットバーナの外周側に複数個設置されて低ＮＯｘ燃焼を行う予混合燃焼を行うメインバーナとで構成し、ガスタービン燃焼器のバーナに燃料を供給する燃料系統として前記パイロットバーナに燃料組成に水素を含まない起動用燃料を供給するパイロット燃料供給系統と前記メインバーナに燃料組成に水素を含む燃料を供給するメイン燃料供給系統をそれぞれ配設し、前記メインバーナは複数の燃料ノズルと前記燃料ノズルに対応して空気プレートに形成された複数の空気孔とが同軸に構成されて該前記メインバーナの内周側と外周側とに配置された同軸ノズルバーナを構成しており、前記メイン燃料供給系統は前記メインバーナの内周側の同軸ノズルバーナに燃料を供給する内周側メイン燃料供給系統と、前記メインバーナの外周側の同軸ノズルバーナに燃料を供給する外周側メイン燃料供給系統とを備えており、前記メイン燃料系統に燃料に含まれる水素濃度を検出する酸素濃度検出器を設け、前記水素濃度検出器で検出した燃料に含まれる水素濃度の値に基づいて外周側メイン燃料供給系統を通じて前記メインバーナの外周側の同軸ノズルバーナに供給される燃料の流量と、前記内周側メイン燃料供給系統を通じて前記メインバーナの内周側の同軸ノズルバーナに供給される燃料の流量との配分を制御する制御装置を設置したことを特徴とする。
【００１９】
本発明のガスタービン燃焼器の制御方法は、ガスタービン燃焼器に備えたバーナはガスタービン燃焼器全体の保炎を担う拡散燃焼を行うパイロットバーナと、パイロットバーナの外周側に複数個設置されて低ＮＯｘ燃焼を行う予混合燃焼を行うメインバーナとで構成して、燃料組成に水素を含む燃料を前記バーナで燃焼するガスタービン燃焼器の制御方法において、ガスタービン燃焼器のバーナに燃料を供給する燃料系統として前記パイロットバーナに燃料を供給するパイロット燃料供給系統と前記メインバーナに燃料を供給するメイン燃料供給系統とがそれぞれ配設されており、ガスタービン燃焼器の少なくともメインバーナに燃料を供給する前記メイン燃料系統に設けた水素濃度検出器によって燃料に含まれる水素濃度を検出し、前記水素濃度検出器で検出した燃料に含まれる水素濃度の値に基づいて前記パイロット燃料供給系統を通じて前記パイロットバーナに供給される燃料の流量と、前記メイン燃料供給系統を通じて前記メインバーナに供給される燃料の流量との配分を制御する制御装置を設置したことを特徴とする。
【００２０】
また本発明のガスタービン燃焼器の制御方法は、ガスタービン燃焼器に備えたバーナはガスタービン燃焼器全体の保炎を担う拡散燃焼を行うパイロットバーナと、パイロットバーナの外周側に複数個設置されて低ＮＯｘ燃焼を行う予混合燃焼を行うメインバーナとで構成して、燃料組成に水素を含む燃料を前記バーナで燃焼するガスタービン燃焼器の制御方法において、ガスタービン燃焼器に備えた前記バーナはガスタービン燃焼器全体の保炎を担う拡散燃焼を行うパイロットバーナと、前記パイロットバーナの外周側に複数個設置されて低ＮＯｘ燃焼を行う予混合燃焼を行うメインバーナとで構成されており、ガスタービン燃焼器のバーナに燃料を供給する燃料系統として前記パイロットバーナに燃料組成に水素を含まない起動用燃料を供給するパイロット燃料供給系統と前記メインバーナに燃料組成に水素を含む燃料を供給するメイン燃料供給系統とがそれぞれ配設されており、前記メイン燃料系統に設けた酸素濃度検出器によって燃料に含まれる水素濃度を検出し、前記水素濃度検出器で検出した燃料に含まれる水素濃度の値に基づいて前記メイン燃料系統を通じて前記メインバーナに供給される燃料の流量と、前記パイロット燃料系統を通じて前記パイロットバーナに供給される燃料の流量との配分を制御する制御装置を設置したことを特徴とする。
【００２１】
また本発明のガスタービン燃焼器の制御方法は、ガスタービン燃焼器に備えたバーナはガスタービン燃焼器全体の保炎を担う拡散燃焼を行うパイロットバーナと、パイロットバーナの外周側に複数個設置されて低ＮＯｘ燃焼を行う予混合燃焼を行うメインバーナとで構成して、燃料組成に水素を含む燃料を前記バーナで燃焼するガスタービン燃焼器の制御方法において、ガスタービン燃焼器に備えた前記バーナはガスタービン燃焼器全体の保炎を担う拡散燃焼を行うパイロットバーナと、前記パイロットバーナの外周側に複数個設置されて低ＮＯｘ燃焼を行う予混合燃焼を行うメインバーナとで構成されており、ガスタービン燃焼器のバーナに燃料を供給する燃料系統として前記パイロットバーナに燃料組成に水素を含まない起動用燃料を供給するパイロット燃料供給系統と前記メインバーナに燃料組成に水素を含む燃料を供給するメイン燃料供給系統をそれぞれ配設し、前記メインバーナは複数の燃料ノズルと前記燃料ノズルに対応して空気プレートに形成された複数の空気孔とが同軸に構成されて該前記メインバーナの内周側と外周側とに配置された同軸ノズルバーナによって構成されており、前記メイン燃料供給系統として前記メインバーナの内周側の同軸ノズルバーナに燃料を供給する内周側メイン燃料供給系統と、前記メインバーナの外周側の同軸ノズルバーナに燃料を供給する外周側メイン燃料供給系統とが配設されており、前記メイン燃料系統に設けた酸素濃度検出器によって燃料に含まれる水素濃度を検出し、前記水素濃度検出器で検出した燃料に含まれる水素濃度の値に基づいて外周側メイン燃料供給系統を通じて前記メインバーナの外周側の同軸ノズルバーナに供給される燃料の流量と、前記内周側メイン燃料供給系統を通じて前記メインバーナの内周側の同軸ノズルバーナに供給される燃料の流量との配分を制御する制御装置を設置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、燃料中に含まれる水素濃度が変動する燃料をガスタービン燃焼器に用いた場合に、水素濃度の変動に起因して形成される火炎がガスタービン燃焼器の構造物に接近して信頼性上の問題を引き起こすことを回避すると共に、低ＮＯｘ燃焼性能を維持し得る予混合燃焼方式のガスタービン燃焼器の制御装置およびガスタービン燃焼器の制御方法が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置が適用されるガスタービン発電プラントの概略構成図。
【図２】図１に示した第１実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置の詳細構成図。
【図３】図２に示した第１実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置によって制御した場合の燃料流量の変化をガスタービン運転回転数およびガスタービン負荷に対して示した制御特性図。
【図４】図２に示した第１実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置によって制御した場合の定格負荷における水素濃度の変化に対する燃料供給量の配分の変化の状況を示す特性図。
【図５】本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置が適用されるガスタービン発電プラントの概略構成図。
【図６】図５に示した第２実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置の詳細構成図。
【図７】本発明の第３実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置が適用されるガスタービン発電プラントの概略構成図。
【図８】図７に示した第３実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置の詳細構成図。
【図９】図７に示した第３実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置によって制御した場合の定格負荷における水素濃度の変化に対するメインバーナ内外周の燃料配分の変化の状況を示す特性図。
【図１０】本発明の第４実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置が適用される二酸化炭素回収付ＩＧＣＣプラントの概略構成図。
【図１１】図１０に示した第４実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置の詳細構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置及びガスタービン燃焼器の制御方法について図面を用いて以下に説明する。
【実施例１】
【００２５】
本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置及びガスタービン燃焼器の制御方法について図１、図２および図３を用いて説明する。図１は本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置が適用されるガスタービン発電プラントの構成を示した概略図である。
【００２６】
図１において、ガスタービン発電プラントは圧縮機５により外気を吸入して圧縮し、圧縮機５で圧縮した圧縮空気１０をガスタービンの車室７に導いて燃焼用空気１２としてガスタービン燃焼器１ａに供給し、このガスタービン燃焼器１ａで外部から供給される燃料１４と燃焼用空気１２とを燃焼させて発生させた高温高圧の燃焼ガス１３をタービン６に流入させて回転動力を取り出し、発電機３０を駆動して発電する。
【００２７】
ガスタービン燃焼器１ａは燃焼器外筒２の内部には内側に燃焼室１を形成する燃焼器ライナー３が設置されており、燃料１４と燃焼用空気１２とを前記燃焼器ライナー３の内部の燃焼室１で燃焼させて高温高圧の燃焼ガス１３を形成する円筒構造となっている。
【００２８】
前記ガスタービン燃焼器１ａの燃焼器ライナー３は、円筒形状の燃焼器出口とタービン６の静翼入口形状とを滑らかに連結するために設置された燃焼器尾筒４によってタービン６と取り合っている。
【００２９】
ガスタービン燃焼器１ａの燃焼に用いられる燃焼用空気１２は、燃焼器外筒２と燃焼器ライナー３との間に形成された環状の空間を通って供給されるが、ガスタービン燃焼器１ａの頭部先端に設けた燃焼器エンドカバー８によってせき止められ、燃焼器ライナー３の外周に多数開口した燃焼用空気孔からパイロットバーナ及びメインバーナ２３にそれぞれ流入する。
【００３０】
ガスタービン燃焼器１ａの燃焼に用いられる水素を含む燃料１４は、燃焼器エンドカバー８外部からエンドカバー８内部に設けた分配流路を通ってパイロットバーナ２２及びメインバーナ２３に配分される。
【００３１】
本実施例に示すガスタービン燃焼器１ａでは、中央に拡散燃焼方式を採用したパイロットバーナ２２が設置され、このパイロットバーナ２２の外周側に予混合燃焼方式を採用したメインバーナ２３を複数個配置した構造となっている。
【００３２】
水素を含む燃料１４は燃料圧縮機１０１によって燃焼器内圧力より高い圧力まで加圧され、遮断弁１０３を備えた燃料供給系統１４ａに供給される。
【００３３】
この水素を含む燃料１４の水素濃度は燃料圧縮機１０１で加圧された燃料１４を供給する燃料供給系統１４ａに設けた水素濃度検知手段１０２によって検出され、検出された燃料１４の水素濃度検出値がガスタービン燃焼器１ａの燃焼を制御する燃料供給制御装置１００に入力される。
【００３４】
燃料供給系統１４ａは途中から拡散燃焼方式を採用したパイロットバーナ２２に燃料を供給するパイロット燃料供給系統１２２と、予混合燃焼方式を採用したメインバーナ２３に燃料を供給するメイン燃料供給系統１２３に分かれて水素を含む燃料１４を供給する。
【００３５】
パイロット燃料供給系統１２２にはパイロット燃料圧力調整弁１０５及びその下流側に位置するパイロット燃料流量調整弁１０６が備えられている。
【００３６】
メイン燃料供給系統１２３には同様にメイン燃料供給圧力調整弁１０７及びその下流側に位置するメイン燃料流量調整弁１０８が備えられている。
【００３７】
前記制御装置１００によるガスタービン燃焼器１ａの燃焼を制御するために、この制御装置１００で演算した指令信号（詳細については後述する）に基づいて、パイロット燃料圧力調整弁１０５及びパイロット燃料流量調整弁１０６の開度を調節してパイロット燃料供給系統１２２を通じてパイロットバーナ２２に供給する燃料の流量を制御すると共に、メイン燃料圧力調整弁１０７及びメイン燃料流量調整弁１０８の開度を調節してメイン燃料供給系統１２３を通じてメインバーナ２３に供給する燃料の流量を制御するように構成されている。
【００３８】
本実施例のガスタービン燃焼器１ａでは燃料１４の緊急遮断応答性を確保するため遮断弁１０３を独立して燃料供給系統１４ａに設置しているが、燃料供給系統の簡素化のために燃料遮断弁１０３の機能をパイロット燃料圧力調整弁１０５およびメイン燃料圧力調整弁１０７に持たせても良い。
【００３９】
図２は図１に示した第１実施例であるガスタービン発電プラントに備えられたガスタービン燃焼器の燃焼を制御する制御装置の詳細を示す構成図である。
【００４０】
図２に示したガスタービン燃焼器１ａの燃焼を制御する制御装置１００には基準燃料流量演算器３０５が設置されており、この基準燃料流量演算器３０５によって運転指令信号３０１とガスタービンの回転数信号３０２を参照して定まる目標運転状態に対する状態から燃料流量の指令値を演算し、この基準燃料流量演算器３０５で演算された燃料流量の指令値に基づいて前記パイロット燃料圧力調整弁１０５及びパイロット燃料流量調整弁１０６、並びに前記メイン燃料圧力調整弁１０７及びメイン燃料流量調整弁１０８の開度をそれぞれ調節してガスタービン燃焼器１ａのパイロットバーナ２２及びメインバーナ２３に供給する燃料の流量をそれぞれ調節することにより、ガスタービン発電プラントのガスタービン燃焼器１ａの燃焼を制御してガスタービン回転数および発電負荷を所望の状態に制御して運転する。
【００４１】
詳細に説明すると、運転指令信号３０１及びガスタービンの回転数信号３０２に基づいて前記制御装置１００に設けた基準燃料流量演算器３０５によって演算され出力された基準ガスタービン投入燃料信号３０６の一方は、パイロット燃料供給信号３１５を演算する演算系統を構成するパイロット燃料制限器３１４に入力して該パイロット燃料制限器３１４にて演算したパイロット燃料供給信号３１５を出力するように構成されると共に、メイン燃料供給信号３２５を演算する演算系統を構成する基準メイン燃料流量演算器３０７及びメイン燃料制限器３２１に入力して該メイン燃料制限器３２１にて演算したメイン燃料供給信号３２５を出力するように構成される。
【００４２】
パイロット燃料供給信号３１５を演算するためには、図１に示す燃料供給系統１４ａに設けた水素濃度検知器１０２によって検知した水素濃度信号３０４を入力して前記制御装置１００に設置した投入燃料水素濃度バイアス算出器３０８により算出した基準ガスタービン投入燃料信号補正値３０９と、前記基準燃料流量演算器３０５により算出した基準ガスタービン投入燃料信号３０６とを加算器３１０で加算することによって、燃料１４に含まれた水素濃度の変化に伴う燃料発熱量の変動を補正したガスタービン投入燃料信号３１１を算出する。
【００４３】
この加算器３１０で加算したガスタービン投入燃料信号３１１に対してさらに減算器３１２によって前記基準メイン燃料流量演算器３０７とメイン燃料制限器３２１で演算したメイン燃料供給信号３２５を減算してパイロット燃料供給元信号３１３に変換し、このパイロット燃料供給元信号３１３を制御装置１００に設置したパイロット燃料制限器３１４に入力して該パイロット燃料制限器３１４の演算によってパイロット燃料供給信号３１５がガスタービンの運転状態および燃料１４の水素濃度によって定まるパイロット燃料供給信号の上限および下限の間の値になるように該パイロット燃料制限器３１４にて補正演算し、このパイロット燃料制限器３１４からパイロット燃料供給信号３１５を出力するように構成している。
【００４４】
そして、この演算したパイロット燃料供給信号３１５に基づいて制御装置１００から指令信号をパイロット燃料供給系統１２２に設置したパイロット燃料圧力調整弁１０５及びパイロット燃料流量調整弁１０６に伝達してこれらのパイロット燃料圧力調整弁１０５及びパイロット燃料流量調整弁１０６の開度を調節し、パイロット燃料供給系統１２２を通じてパイロットバーナ２２に供給する燃料流量を制御する。
【００４５】
パイロット燃料制限器３１４に対する水素濃度バイアス３２９は水素濃度信号３０４を入力として制御装置１００に設置したパイロット燃料制限補正値演算器３２８で算出して前記パイロット燃料制限器３１４に入力するように構成されている。
【００４６】
一方、前記制御装置１００に設けた基準燃料流量演算器３０５によって演算されて出力された基準ガスタービン投入燃料信号３０６の他方は、メイン燃料供給信号３２５を演算するために設置された基準メイン燃料流量演算器３０７に入力し、該基準メイン燃料流量演算器３０７によって基準ガスタービン投入燃料信号３０６に基づいて基準メイン燃料流量３１６を演算する。
【００４７】
さらに水素濃度検知器１０２によって燃料１４中の水素濃度を検出した水素濃度信号３０４を入力してメイン燃料水素濃度バイアス算出器３１７により算出されたメイン燃料流量補正値３１８と、前記基準メイン燃料流量３１６とを加算器３１９で加算して、水素濃度の変化に伴う燃料発熱量の変動を補正したメイン燃料元流量３２０を算出する。
【００４８】
予混合燃焼方式を採用したメインバーナ２３では燃料１４と燃焼用空気１２を予め混合してからガスタービン燃焼器１ａのガスタービン燃焼室１に供給するため、安定な燃焼状態を得るためには燃料流量に上限値と下限値が存在し、かつその範囲が拡散燃焼を採用したパイロットバーナ２２よりも狭い特徴がある。
【００４９】
この安定な燃焼状態を得る範囲は燃料１４に含まれる水素濃度により変化するので、前記制御装置１００に設置したメイン燃料制限器３２１にて前記メイン燃料供給元流量３２０に基づいて演算したメイン燃料流量を、上記の安定範囲内の燃料流量になるように水素濃度検知器１０２によって検知された高い濃度の水素濃度信号３０４を入力して前記制御装置１００に設置したメイン燃料安定範囲算出器３２６で燃焼の安定範囲を算出して得たメイン燃料安定範囲バイアス３２７を該メイン燃料制限器３２１に入力して補正したメイン燃料流量信号３２２を算出する。
【００５０】
ガスタービン燃焼器１ａのメインバーナ２３は上記のように安定して運用できる範囲が狭いため、ガスタービン運転計画とガスタービン運転回転数３０２を参照して前記制御装置１００に設置した比較器３２３でメインバーナ２３の運用可否を判定し、運用可能であればメイン燃料流量信号３２２を、運用不可能であれば燃料流量０を信号切替器３２４によって切り替えてメイン燃料供給信号３２５として前記制御装置１００から指令信号として出力する。
【００５１】
このメイン燃料供給信号３２５に基づいてガスタービン燃焼器１ａのメイン燃料圧力調整弁１０７およびメイン燃料流量調整弁１０８の開度を調節してメイン燃料供給系統１２３をじてメインバーナ２３に供給する燃料流量を制御する。
【００５２】
図３は図２に示した第１実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置によって制御した場合の燃料流量の変化をガスタービン運転回転数およびガスタービン負荷に対して示した制御特性図を示している。図３の特性図からは上述のように予混合燃焼方式を採用したガスタービン燃焼器１ａのメインバーナ２３は安定に運用できる範囲が拡散燃焼方式を採用したパイロットバーナ２２に比較して狭いので、ガスタービン燃焼器１ａに供給する燃料１４の燃料流量がガスタービンの回転数が定格まで昇速して所定の流量値ＧｆＳＷに到達するまではパイロットバーナ２２単独でガスタービン燃焼器１ａを起動する。
【００５３】
そして、供給する燃料１４の燃料流量が前記流量値ＧｆＳＷよりも増加した以降の定格負荷までのガスタービン燃焼器１ａの運転は予混合燃焼方式を採用したＮＯｘ排出量の小さいメインバーナ２３への燃料供給ＧｆＭがほとんどを占め、パイロットバーナ２２には保炎に必要な最低限の燃料流量ＧｆＰを供給する運転形態となっている。
【００５４】
図４は図２に示した第１実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置１００によって制御した場合の定格負荷における水素濃度の変化に対する燃料供給量の配分の変化の状況を示す特性図である。
【００５５】
図４の横軸は燃料１４に含まれた水素濃度であり、縦軸はガスタービン燃焼器１ａのパイロットバーナ２２とメインバーナ２３との全体に供給される燃料１４のうち、パイロットバーナ２２に供給される燃料の割合をパイロット燃料比率として示している。
【００５６】
図４の特性図において、燃料１４に含まれる水素濃度が低い場合には燃焼速度が遅く、ガスタービン燃焼器１ａのガスタービン燃焼室１内に形成される火炎の位置はガスタービン燃焼室１内の下流側に流されるので、より強く保炎しないと火炎が吹き消えを起こし、大量の未燃排出物を発生するなどの問題が起きる可能性がある。
【００５７】
このため燃料１４に含まれる水素濃度が低い場合には拡散燃焼方式を採用したパイロットバーナ２２により多くの燃料を供給するようにバイアスがかかり、結果としてパイロット燃料比率はＰＭ＿ａまで増加する。
【００５８】
しかしながらこの場合には燃料１４に含まれる水素濃度が低いので予混合燃焼方式を採用しているメインバーナ２３でのＮＯｘ排出量が小さいだけでなく、拡散燃焼方式のパイロットバーナ２２でも火炎の集中の度合いが弱まるのでＮＯｘ排出量が大きく増大することがない。
【００５９】
燃料１４に含まれる水素濃度が増加すると燃焼速度が速くなるのでガスタービン燃焼室１内に形成される火炎の位置が徐々にガスタービン燃焼室１内の上流側に移動するので、吹き消えの可能性が小さくなる。
【００６０】
そこで、予混合燃焼方式を採用しているメインバーナ２３には、より多くの燃料を供給し、拡散燃焼方式を採用したパイロットバーナ２２には燃料の供給を減少させるので、パイロットバーナ２２に供給する保炎のための燃料流量はＰＭ＿ｂまで削減することができ、拡散燃焼方式のパイロットバーナ２２において最も燃焼が容易な条件で燃焼する燃料量が減少するので排出ＮＯｘがさらに減少する。
【００６１】
水素濃度検知器１０２によって検出する燃料１４中の水素濃度信号３０４が減少した場合には、前記制御装置１００に設けた投入燃料水素濃度バイアス算出器３０８によって基準ガスタービン投入燃料信号補正値３０９を演算し、基準燃料流量演算器３０５で演算した基準ガスタービン投入燃料信号３０６に対して加算器３１０にてこの基準ガスタービン投入燃料信号補正値３０９を加算することで、燃料１４に含まれた水素濃度の減少に伴う燃料発熱量の変動を補正したガスタービン投入燃料信号３１１を算出する。
【００６２】
この補正されたガスタービン投入燃料信号３１１は減算器３１２によって基準メイン燃料流量演算器３０７とメイン燃料制限器３２１で演算したメイン燃料供給信号３２５を減算してパイロット燃料供給元信号３１３に変換し、このパイロット燃料供給元信号３１３をパイロット燃料制限器３１４に入力して該パイロット燃料制限器３１４の演算によってパイロット燃料供給信号３１５がガスタービンの運転状態および燃料１４の水素濃度によって定まるパイロット燃料供給信号の上限および下限の間の値になるように該パイロット燃料制限器３１４にて補正演算し、このパイロット燃料制限器３１４からパイロット燃料供給信号３１５を出力する。
【００６３】
また、水素濃度検知器１０２によって検出する燃料１４中の水素濃度信号３０４が増加した場合に、前記制御装置１００に設けたメイン燃料水素濃度バイアス算出器３１７によってメイン燃料流量補正値３１８を演算し、基準ガスタービン投入燃料信号３０６に基づいて基準メイン燃料流量演算器３０７にて演算された基準メイン燃料流量３１６に対して加算器３１９で前記メイン燃料流量補正値３１８を加算して水素濃度の減少に伴う燃料発熱量の変動を補正したメイン燃料元流量３２０を算出する。
【００６４】
このメイン燃料元流量３２０は次にメイン燃料制限器３２１によって上記の安定範囲内の燃料流量になるようにメイン燃料安定範囲算出器３２６で燃焼の安定範囲を算出して得たメイン燃料安定範囲バイアス３２７を入力して補正したメイン燃料流量信号３２２を算出し、比較器３２３でメインバーナ２３の運用可否の判定に基づいた信号切替器３２４を経由してこのメイン燃料流量信号３２２をメイン燃料供給信号３２５として前記制御装置１００から指令信号として出力する。
【００６５】
即ち、上記説明のように制御することによって、燃料１４中の水素濃度信号３０４が減少した場合には、基準燃料流量演算器３０５で演算した基準ガスタービン投入燃料信号３０６に対して、投入燃料水素濃度バイアス算出器３０８で演算した基準ガスタービン投入燃料信号補正値３０９を加算したガスタービン投入燃料信号３１１を得るが、これがパイロット燃料供給元信号３１３を経由してパイロットバーナ２２に供給するパイロット燃料の指令となるパイロット燃料供給信号３１５となって、このパイロット燃料供給信号３１５を増加させるように働く。
【００６６】
更に、基準ガスタービン投入燃料信号３０６に基づいて基準メイン燃料流量演算器３０７で演算した基準メイン燃料流量３１６に対して、メイン燃料水素濃度バイアス算出器３１７で演算したメイン燃料流量補正値３１８を加算してメイン燃料元流量３２０を得るが、これがメインバーナ２３に供給するメイン燃料の指令となるメイン燃料供給信号３２５となって、このメイン燃料供給信号３２５を減少させるように働く。
【００６７】
この結果、前記メイン燃料供給信号３２５に対するパイロット燃料供給信号３１５の燃料比率が増加するので、燃料中の水素濃度が減少した場合でもガスタービン燃焼器の燃焼は安定燃焼範囲内に制御することが可能となり、ガスタービン燃焼器の安定燃焼を実現することができる。
【００６８】
これに対して水素濃度検知器１０２によって検出する燃料１４中の水素濃度信号３０４が増加した場合には、前記制御装置１００に設けたメイン燃料安定範囲算出器３２６によって燃焼の安定範囲を算出したメイン燃料安定範囲バイアス３２７を演算し、このメイン燃料安定範囲バイアス３２７を前記メイン燃料制限器３２１に入力して補正したメイン燃料流量信号３２２を得ている。
【００６９】
前記メイン燃料流量信号３２２は信号切替器３２４を経由してメイン燃料供給信号３２５として出力され、制御装置１００の信号切替器３２４から出力されたこのメイン燃料供給信号３２５に基づいてメイン燃料供給系統１２３に設置したメイン燃料圧力調整弁１０７及びメイン燃料流量調整弁１０８の開度を調節してメイン燃料供給系統１２３を通じてメインバーナ２３に供給する燃料の流量が減少するように制御している。
【００７０】
また、水素濃度検知器１０２によって検出する燃料１４中の水素濃度信号３０４が増加した場合に、前記制御装置１００に設けたパイロット燃料制限補正値演算器３２８によって燃焼バランスを調節するパイロット燃料制限器水素濃度バイアス３２９を演算し、このパイロット燃料制限器水素濃度バイアス３２９を前記パイロット燃料制限器３１４に入力して該パイロット燃料制限器３１４にて運転状態によって定まるパイロット燃料供給信号の上限および下限の間の値になるようにパイロット燃料供給信号３１５を演算して出力する。
【００７１】
そして前記制御装置１００のパイロット燃料制限器３１４から出力されたこのパイロット燃料供給信号３１５に基づいてパイロット燃料供給系統１２２に設置したパイロット燃料圧力調整弁１０５及びパイロット燃料流量調整弁１０６の開度を調節してパイロット燃料供給系統１２２を通じてパイロットバーナ２２に供給する燃料の流量も減少するように制御している。
【００７２】
即ち、上記説明のように制御することによって、燃料１４中の水素濃度信号３０４が増加した場合には、基準ガスタービン投入燃料信号３０６に基づいて基準メイン燃料流量演算器３０７で演算した基準ガスタービン投入燃料信号３０６に対して、メイン燃料安定範囲算出器３２６で燃焼の安定範囲を算出して得たメイン燃料安定範囲バイアス３２７を入力してメイン燃料流量信号３２２を算出し、比較器３２３でメインバーナ２３の運用可否の判定に基づいた信号切替器３２４を経由してこのメイン燃料流量信号３２２がメイン燃料供給信号３２５となるので、前記メイン燃料供給信号３２５を増加するように働く。
【００７３】
更に、基準燃料流量演算器３０５で演算した基準ガスタービン投入燃料信号３０６に基づいたパイロット燃料供給元信号３１３に対して、パイロット燃料制限補正値演算器３２８で演算した燃焼バランスを調節するパイロット燃料制限器水素濃度バイアス３２９をパイロット燃料制限器３１４に入力し、このパイロット燃料制限器３１４にて運転状態によって定まるパイロット燃料供給信号の上限および下限の間の値になるように、前記パイロット燃料供給元信号３１３に基づいてパイロット燃料供給信号３１５を演算して出力するので、前記パイロット燃料供給信号３１５を減少するように働く。
【００７４】
この結果、前記メイン燃料供給信号３２５に対するパイロット燃料供給信号３１５の燃料比率が減少するので、燃料中の水素濃度が増加した場合はガスタービン燃焼器の燃焼火炎の位置を燃焼室内の下流側に移動させることが可能となり、ガスタービン燃焼器の信頼性を確保することが実現ができる。
【００７５】
ところで、ガスタービン燃焼器１ａに供給される燃料１４に含まれる水素濃度がある程度以上高くなると、予混合燃焼方式を採用したメインバーナ２３においてガスタービン燃焼室１内に形成される火炎の位置がバーナ構造物のごく近くまで接近するようになるため、メインバーナ２３で信頼性上の問題が起きることを避けるためにメインバーナ２３の混合気中の燃料濃度（あるいは水素濃度）を、制限値よりも下側に抑制する必要がある。
【００７６】
そこで、上記した本発明の実施例であるガスタービン燃焼器１ａの制御装置１００においては、燃料１４に含まれる水素濃度が所定値を超えて高くなった場合に、上記した構成によって説明したようにガスタービン燃焼器１ａのメインバーナ２３に供給する燃料流量の供給量を制限するように制御している。
【００７７】
このような制御を行った結果、パイロットバーナ２２の燃料比率は再びＰＭ＿ｃまで増加することとなるが、但し、この場合でもメインバーナ２３での燃料の燃焼量はガスタービン燃焼器１ａの信頼性上許容できる範囲で確保されており、同様の燃料を全て拡散燃焼のバーナで処理した場合に比較してＮＯｘ排出量は大幅に低く抑制することが可能となる。
【００７８】
本実施例によれば、燃料中に含まれる水素濃度が変動する燃料をガスタービン燃焼器に用いた場合に、水素濃度の変動に起因して形成される火炎がガスタービン燃焼器の構造物に接近して信頼性上の問題を引き起こすことを回避すると共に、低ＮＯｘ燃焼性能を維持し得る予混合燃焼方式のガスタービン燃焼器の制御装置およびガスタービン燃焼器の制御方法が実現できる。
【実施例２】
【００７９】
次に本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置及びガスタービン燃焼器の制御方法について図５および図６を用いて説明する。
【００８０】
図５は本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置が適用されるガスタービン発電プラントの構成を示した概略図である。
【００８１】
本実施例のガスタービン燃焼器の制御装置は図１乃至図４に示した本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器の制御装置と基本的な構成は同じなので、両者に共通する構成及び作用の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【００８２】
図５に示した第２実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置においては、パイロットバーナ２３に対して、燃料に水素を含まず組成の安定している別の燃料を起動用燃料１５として起動用燃料遮断弁１０４と、この起動用燃料遮断弁１０４の下流側に起動用燃料圧力調整弁１０５及び起動用燃料流量調整弁１０６をそれぞれ備えたパイロット燃料供給系統１２２を通じて前記起動用燃料１５を供給するように構成している点が先の実施例１のガスタービン燃焼器の制御装置と異なっている。
【００８３】
図６は図５に示した第２実施例であるガスタービン発電プラントに備えられたガスタービン燃焼器の燃焼を制御する制御装置の詳細を示す構成図である。
【００８４】
図６に示したガスタービン燃焼器１ａの燃焼を制御する制御装置１００ａにおいては、ガスタービン燃焼器１ａの起動用燃料１５を水素を含まず燃料組成の安定した燃料としたため、制御装置１００ａに設置された基準燃料流量演算器３０５ａはガスタービン運転状況に応じてパイロット燃料元流量３１５ａと基準メイン燃料流量３１６を同時に算出することができる。
【００８５】
図６に示した本実施例の制御装置１００ａでは、図２に示した第１実施例の制御装置１００における基準メイン燃料流量演算器３０７及び基準ガスタービン投入燃料信号補正値３０９を演算する投入燃料水素濃度バイアス算出器３０８を備えていない構成となっている。
【００８６】
そして本実施例の制御装置１００ａにおいて、パイロット燃料供給信号３１５ｃを演算する演算系統を構成する前記メイン燃料制限器３２１で算出したメイン燃料供給信号３２５を、燃料の発熱量を考慮したゲイン演算器３３０によって水素濃度の変化に伴う燃料発熱量の変動を加味してガスタービン投入発熱量の変動のパイロット燃料流量の補正値３３１に変換し、減算器３３２でパイロット燃料元流量３１５ａから前記補正値３３１を減算することによりパイロット燃料供給元信号３１５ｂとする。
【００８７】
このパイロット燃料供給元信号３１５ｂをパイロット燃料制限器３１４ｂで運転状態によって定まるパイロット燃料供給信号の上限および下限の間の値になるよう補正して、パイロット燃料供給信号３１５ｃとして出力し、このパイロット燃料供給信号３１５ｃに基づいてパイロット燃料圧力調整弁１０５およびパイロット燃料流量調整弁１０６の開度を変化させてパイロットバーナ２２に供給する燃料流量を制御する。
【００８８】
一方、メイン燃料供給信号３２５を算出する演算系統を構成する基準燃料流量演算器３０５ａで基準メイン燃料流量３１６を算出する。そして実施例１の制御装置１００と同様に、燃料供給系統１４ａに設けた水素濃度検知器１０２によって検知した水素濃度信号３０４に基づきメイン燃料水素濃度バイアス算出器３１７により算出されたメイン燃料流量補正値３１８とこの基準メイン燃料流量３１６を加算器３１９にて加算し、水素濃度の変化に伴う燃料発熱量の変動を補正したメイン燃料元流量３２０とする。
【００８９】
更に、水素濃度信号３０４に基づきメイン燃料安定範囲算出器３２６にて算出したメイン燃料安定範囲バイアス３２７によって前記メイン燃料元流量３２０をメイン燃料制限器３２１にて補正し、メイン燃料流量信号３２２を算出する。
【００９０】
そして、信号切替器３２４で運用可能であればメイン燃料流量信号３２２を、運用不可能であれば燃料流量０をメイン燃料供給信号３２５として前記制御装置１００ａから指令信号として出力する。
【００９１】
この信号切替器３２４を経たメイン燃料供給信号３２５に基づいてガスタービン燃焼器１ａのメイン燃料圧力調整弁１０７およびメイン燃料流量調整弁１０８の開度を調節してメイン燃料供給系統１２３をじてメインバーナ２３に供給する燃料流量を制御する。
【００９２】
本実施例の制御装置１００ａにおいて、燃料１４中の水素濃度信号３０４が減少した場合には、基準燃料流量演算器３０５ａで演算したパイロット燃料元流量３１５ａに対して、メイン燃料水素濃度バイアス算出器３１７で演算したメイン燃料流量補正値３１８を加算してメイン燃料元流量３２０を得るが、これがメインバーナ２３に供給するメイン燃料の指令となるメイン燃料供給信号３２５となって、このメイン燃料供給信号３２５を減少させるように働く。
【００９３】
この結果、パイロット燃料供給信号３１５ｃに対するメイン燃料供給信号３２５の燃料比率が減少するので、燃料中の水素濃度が減少した場合でもガスタービン燃焼器の燃焼は安定燃焼範囲内に制御することが可能となり、ガスタービン燃焼器の安定燃焼を実現することができる。
【００９４】
これに対して、燃料１４中の水素濃度信号３０４が増加した場合には、基準燃料流量演算器３０５ａで演算した基準メイン燃料流量３１６に対して、メイン燃料安定範囲算出器３２６で燃焼の安定範囲を算出して得たメイン燃料安定範囲バイアス３２７をメイン燃料制限器３２１に入力してメイン燃料流量信号３２２を算出し、比較器３２３でメインバーナ２３の運用可否の判定に基づいた信号切替器３２４を経由してこのメイン燃料流量信号３２２をメイン燃料供給信号３２５として出力するので、前記メイン燃料供給信号３２５を増加するように働く。
【００９５】
尚、メイン燃料制限器３２１で算出したメイン燃料供給信号３２５は、燃料の発熱量を考慮したゲイン演算器３３０を経由させることによって水素濃度の変化に伴う燃料発熱量の変動を加味してガスタービン投入発熱量の変動のパイロット燃料流量の補正値３３１に変換し、パイロット燃料供給元信号３１５ｂとしてパイロット燃料制限器３１４ｂに入力して補正し、前記パイロット燃料供給信号３１５ｃを得ている。
【００９６】
更に、基準燃料流量演算器３０５ａで演算したパイロット燃料元流量３１５ａに対して、パイロット燃料制限補正値演算器３２８で演算した燃焼バランスを調節するパイロット燃料制限器水素濃度バイアス３２９をパイロット燃料制限器３１４ｂに入力し、このパイロット燃料制限器３１４ｂにて運転状態によって定まるパイロット燃料供給信号の上限および下限の間の値になるように、前記パイロット燃料供給信号３１５ｂに基づいてパイロット燃料供給信号３１５ｃを演算して出力するので、前記パイロット燃料供給信号３１５を減少するように働く。
【００９７】
この結果、前記メイン燃料供給信号３２５に対するパイロット燃料供給信号３１５ｃの燃料比率が減少するので、燃料中の水素濃度が増加した場合はガスタービン燃焼器の燃焼火炎の位置を燃焼室内の下流側に移動させることが可能となり、ガスタービン燃焼器の信頼性を確保することが実現ができる。
【００９８】
このようにパイロットバーナ２２を燃料組成変動のない起動用燃料で運用することで制御の簡素化が図れる。起動用燃料としては天然ガス、プロパンガスなどの高カロリーガス燃料のほか、灯油、軽油、Ａ重油などの油燃料を用いても良い。
【００９９】
本実施例によれば、燃料中に含まれる水素濃度が変動する燃料をガスタービン燃焼器に用いた場合に、水素濃度の変動に起因して形成される火炎がガスタービン燃焼器の構造物に接近して信頼性上の問題を引き起こすことを回避すると共に、低ＮＯｘ燃焼性能を維持し得る予混合燃焼方式のガスタービン燃焼器の制御装置およびガスタービン燃焼器の制御方法が実現できる。
【実施例３】
【０１００】
次に本発明の第３実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置及びガスタービン燃焼器の制御方法について図７乃至図９を用いて説明する。図７は本発明の第３実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置が適用されるガスタービン発電プラントの構成を示した概略図である。
【０１０１】
本実施例のガスタービン燃焼器の制御装置は図５及び図６に示した本発明の第２実施例のガスタービン燃焼器の制御装置と基本的な構成は同じなので、両者に共通する構成及び作用の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【０１０２】
図７に示した第３実施例であるガスタービン燃焼器１ａにおいては、メインバーナ２３を、多数の燃料ノズル２５と空気孔プレート２４に開口した多数の空気孔とをそれぞれ同軸に配置する小口径の同軸ノズルで構成するとともに、この小口径同軸ノズルを集合化したメインバーナ２３として形成し、パイロットバーナ２２の周囲に前記集合化したメインバーナ２３を複数配設することによって、構造的に予め燃料と空気の分散性を高めてＮＯｘを低減したことが実施例２のガスタービン燃焼器１に備えたメインノズルの構成とは異なっている。
【０１０３】
本実施例の複数配設されたメインバーナ２３である同軸ノズルバーナは、多数の燃料・空気の同軸噴流からなるバーナであり、かつ燃料と空気の混合の度合いを空気ノズルの形状および燃料ノズルの形状で調整することができる。
【０１０４】
また、複数の各メインバーナ２３は、バーナ単体の保炎能力は同軸ノズルバーナの中心軸に面した最内周の同軸噴流の混合と噴出方向で調整することができるので、１つの同軸ノズルバーナの中の最内周部分の同軸噴流に保炎の機能を担わせることができる。
【０１０５】
また複数の各メインバーナ２３は上記のように保炎の機能を強化するように燃料と空気の混合を調整することで、可燃範囲の混合気が形成される位置を同軸ノズルバーナの構造物から遠い場所に設計することが可能であり、各メインバーナ２３の内周側の同軸ノズルについては火炎接近に対する裕度を大きく取ることができる。
【０１０６】
そこで本実施例のガスタービン燃焼器１ａでは、水素を含む燃料は各メインバーナ２３を構成する同軸ノズルの内周側に供給される内周側メイン燃料供給系統１２３ａと、各メインバーナ２３を構成する各メインバーナ２３を構成する同軸ノズルの外周側に供給される外周側メイン燃料供給系統１２４ａに分岐しており、供給される燃料の配分が調整できるようになっている。
【０１０７】
メインバーナ２３を構成する同軸ノズルの内周側に供給される水素を含む燃料１４は内周側メイン燃料供給系統１２３ａに設置された内周側メイン燃料圧力調整弁１０７ａ、内周側メイン燃料流量調整弁１０８ａを介して燃焼器エンドカバー８の取り合い口に導かれ、エンドカバー８の内部の流路を通過し、メインバーナ２３に備えられた燃料分配器２６の内周側空間から燃料ノズル２５を通って空気孔プレート２４に開口した空気孔に向かって噴出し、空気と同軸の噴流となって燃焼室１に噴出する。
【０１０８】
また、メインバーナ２３を構成する同軸ノズルの外周側に供給される水素を含む燃料１４も同様に、外周側メイン燃料供給系統１２４ａに設置された外周側メイン燃料圧力調整弁１０７ｂ、外周側メイン燃料流量調整弁１０８ｂを介して燃焼器エンドカバー８の取り合い口に導かれ、エンドカバー８の内部の流路を通過し、メインバーナ２３に備えられた燃料分配器２６の外周側空間から燃料ノズル２５を通って空気孔プレート２４に開口した空気孔に向かって噴出し、空気と同軸の噴流となって燃焼室１に噴出する。
【０１０９】
図８は図７に示した第３実施例であるガスタービン発電プラントに備えられたガスタービン燃焼器１ａの燃焼を制御する制御装置１００ｂの詳細を示す構成図である。
【０１１０】
図８に示したガスタービン燃焼器１ａの燃焼を制御する制御装置１００ｂにおいては、ガスタービン燃焼器１ａの起動用燃料１５を、実施例２と同様に起動用燃料１５を水素を含まず燃料組成の安定した燃料としたため、制御装置１００ｂに設置された基準燃料流量演算器３０５ａではガスタービン運転状況に応じてパイロット燃料元流量３１５ａと基準メイン燃料流量３１６を同時に算出することができる。
【０１１１】
図８に示した本実施例のガスタービン燃焼器１ａの燃焼を制御する制御装置１００ｂでは、図２に示した第１実施例の制御装置１００における基準メイン燃料流量演算器３０７を備えていないが、各メインバーナ２３内の内周と外周の燃料比率３３４を演算するメイン内外周比率演算器３３３と、メイン内周側燃料供給信号３３６及びメイン外周側燃料供給信号３３７を演算するメイン内外周燃料流量演算器３３５を新たに備えた構成となっている。
【０１１２】
そして本実施例のガスタービン燃焼器１ａでは、前述のように各メインバーナ２３を燃料ノズル２５と空気孔プレート２４に開口した空気孔とを同軸に配置する同軸ノズルで構成したことでメインバーナ２３自身の中に保炎を担う機能が持てる上、同軸ノズルの内周側は混合を調整して保炎の機能を持たせたことで火炎接近に対する裕度が広がっている。
【０１１３】
このため本実施例の制御装置１００ｂでは、では水素濃度の変化に対してメインバーナ内部の燃料配分を調整することで信頼性を確保しながら低ＮＯｘ燃焼することが可能となり、パイロットバーナ供給燃料は燃焼器全体の燃焼安定性を最低限確保するのみで十分である。
【０１１４】
そこで本実施例のガスタービン燃焼器１ａの燃焼を制御する制御装置１００ａにおいては、パイロット燃料供給信号３１５ｃを算出する制御系統では、パイロット燃料元流量３１５ａをパイロット燃料制限器３１４で運転状態によって定まるパイロット燃料供給信号の上限および下限の間の値になるよう補正するのみで、パイロット燃料供給信号３１５ｃとして出力することができ制御が大幅に簡素化できる。
【０１１５】
一方、メイン燃料供給信号を算出する制御系統では、基準燃料流量演算器３０５ａで算出された基準メイン燃料流量３１６を、メイン燃料水素濃度バイアス算出器３１７により算出されたメイン燃料流量補正値３１８と加算器３１９で加算し、水素濃度の変化に伴う燃料発熱量の変動を補正したメイン燃料元流量３２０とし、メイン燃料安定範囲算出器３２６の算出値および、メイン燃料制限器３２１で補正しメイン燃料流量信号３２２として、信号切替器３２４で運用可能であればメイン燃料流量信号３２２を、運用不可能であれば燃料流量０をメイン燃料供給信号３２５として出力する。
【０１１６】
この後、メインバーナ２３内の内周側と外周側との燃料比率３３４をメイン内外周比率演算器３３３により算出し、この内周側と外周側との燃料比率３３４をメイン内外周燃料流量演算器３３５によってメイン燃料供給信号３２５と乗算することにより、メイン内周側燃料供給信号３３６及びメイン外周側燃料供給信号３３７を算出して、これらのメイン内周側燃料供給信号３３６及びメイン外周側燃料供給信号３３７基づいてメインバーナ２３である同軸ノズルの内周側と外周側とに供給される燃料の流量をそれぞれ制御するように構成されている。
【０１１７】
本実施例の制御装置１００ｂにおいて、燃料１４中の水素濃度信号３０４が減少した場合には、ガスタービン燃焼器１ａの安定燃焼を確保するためにメインバーナ２３である同軸ノズルの内周側の燃焼比率が外周側の燃焼比率よりも高くなるように、内周側メイン燃料供給系統１２３ａを通じて供給する燃料流量が外周側メイン燃料供給系統１２４ａを通じて供給する燃料流量より多くなるように、前記内周側メイン燃料圧力調整弁１０７ａ及び内周側メイン燃料流量調整弁１０８ａ、並びに外周側メイン燃料圧力調整弁１０７ｂ及び外周側メイン燃料流量調整弁１０８ｂの開度を制御装置１００ｂによってそれぞれ制御して、メインバーナ２３の内周側の燃焼比率を上げる。
【０１１８】
次に、燃料１４中の水素濃度信号３０４が増加して水素濃度が約４８％に達するまでは、ガスタービン燃焼器１ａのメインバーナ２３である同軸ノズルの内周側の燃焼比率が外周側の燃焼比率よりも低くなるように、内周側メイン燃料供給系統１２３ａを通じて供給する燃料流量が外周側メイン燃料供給系統１２４ａを通じて供給する燃料流量より少なくなるように、前記内周側メイン燃料圧力調整弁１０７ａ及び内周側メイン燃料流量調整弁１０８ａ、並びに外周側メイン燃料圧力調整弁１０７ｂ及び外周側メイン燃料流量調整弁１０８ｂの開度を制御装置１００ｂによってそれぞれ制御して、メインバーナ２３の外周側の燃焼比率を上げる。
【０１１９】
更に、燃料１４中の水素濃度信号３０４が増加して水素濃度が所定の濃度（例えば約４８％）を超えた場合には、ガスタービン燃焼器１ａの燃焼室内に形成される火炎の位置が燃焼室下流側に移動させてガスタービン燃焼器の信頼性を確保するために、メインバーナ２３である同軸ノズルの内周側の燃焼比率が外周側の燃焼比率よりも高くなるように、内周側メイン燃料供給系統１２３ａを通じて供給する燃料流量が外周側メイン燃料供給系統１２４ａを通じて供給する燃料流量より多くなるように、前記内周側メイン燃料圧力調整弁１０７ａ及び内周側メイン燃料流量調整弁１０８ａ、並びに外周側メイン燃料圧力調整弁１０７ｂ及び外周側メイン燃料流量調整弁１０８ｂの開度を制御装置１００ｂによってそれぞれ制御して、メインバーナ２３の内周側の燃焼比率を上げる。
【０１２０】
尚、本実施例のガスタービン燃焼器１ａの制御装置１００ｂを構成する各演算器の作用については説明を省略したが、図２に示したガスタービン燃焼器１ａの制御装置１００、並びに図６に示したガスタービン燃焼器１ａの制御装置１００ａを構成する各演算器の作用を参照されたい。
【０１２１】
図９は図８に示した第３実施例であるガスタービン燃焼器１ａの制御装置１００ｂによって制御した場合の定格負荷における水素濃度の変化に対するメインバーナ内外周の燃料供給量の配分の変化の状況を示す特性図である。
【０１２２】
図９の横軸は燃料１４に含まれた水素濃度であり、縦軸はガスタービン燃焼器１ａのメインバーナ２３に供給される燃料全体のうち、保炎を担う内周側の燃料の占める比率を保炎用燃料比率として示している。
【０１２３】
図９の特性図において、水素濃度が低い場合には燃焼速度が遅く、火炎は燃焼器下流側に流されるのでより強く保炎しないと火炎が吹き消えを起こし、大量の未燃排出物を発生するなどの問題が起きる可能性がある。
【０１２４】
このため燃料１４に含まれる水素濃度が低い場合には保炎を担う内周側により多くの燃料を供給するようにバイアスがかかり、結果として保炎用燃料比率はＩＯ＿ａまで増加する。
【０１２５】
しかしながらこの場合には燃料１４に含まれる水素濃度が低いのでメインバーナ全体でのＮＯｘ排出量が小さいだけでなく、保炎を担っている内周側メインバーナもある程度の低ＮＯｘ燃焼性が得られる同軸ノズル構造であるためＮＯｘ排出量は実施例１に比較して小さい。
【０１２６】
燃料１４に含まれる水素濃度が増加すると燃焼速度が速くなるのでガスタービン燃焼室１内に形成される火炎の位置が徐々にガスタービン燃焼室１内の上流側に移動するので、吹き消えの可能性が小さくなり保炎用燃料流量はＩＯ＿ｂまで削減することができ、排出ＮＯｘがさらに減少する。
【０１２７】
さらに燃料１４に含まれる水素濃度が高くなると、メインバーナ２３を構成する同軸ノズルの外周側において火炎がバーナ構造物のごく近くまで接近するようになるためメインバーナで信頼性上の問題が起きることを避けるために同軸ノズルバーナ外周側の混合気中の燃料濃度（あるいは水素濃度）をある制限値よりも下側に抑制する必要が現れる。
【０１２８】
このため、同軸ノズルの外周側に供給する燃料流量が制限された結果、保炎用燃料比率は再びＩＯ＿ｃまで増加することとなる。但し、この場合でも保炎を担っているメインバーナ２３を構成する同軸ノズルの内周側は、ある程度の低ＮＯｘ燃焼性が得られる同軸ノズル構造であるためＮＯｘ排出量は実施例１に比較しても小さい。
【０１２９】
本実施例によれば、燃料中に含まれる水素濃度が変動する燃料をガスタービン燃焼器に用いた場合に、水素濃度の変動に起因して形成される火炎がガスタービン燃焼器の構造物に接近して信頼性上の問題を引き起こすことを回避すると共に、低ＮＯｘ燃焼性能を維持し得る予混合燃焼方式のガスタービン燃焼器の制御装置およびガスタービン燃焼器の制御方法が実現できる。
【実施例４】
【０１３０】
次に本発明の第４実施例であるガスタービン燃焼器の制御装置及びガスタービン燃焼器の制御方法について図１０及び図１１を用いて説明する。
【０１３１】
図１０は本発明の第４実施例であるガスタービン燃焼器１ａが適用されるガスタービン発電プラントの構成を示した概略図である。
【０１３２】
本実施例のガスタービン燃焼器の制御装置は図７及び図８に示した本発明の第３実施例のガスタービン燃焼器の制御装置と基本的な構成は同じなので、両者に共通する構成及び作用の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【０１３３】
図１０は本発明に関わるガスタービン燃焼器１ａを備えた二酸化炭素回収付ＩＧＣＣプラントの実施例であり、圧縮機５、タービン６、発電機３０、及びガスタービン燃焼器１ａに供給する燃料供給系統を示した概略構成図である。
【０１３４】
本実施例の二酸化炭素回収付ＩＧＣＣプラントに備えられたガスタービン燃焼器１ａ及びその制御装置１１ｃは、図７及び図８に示した本発明の第３実施例のガスタービン燃焼器１ａの制御装置１００ｂと基本的な構成は同じなので、両者に共通する構成及び作用の説明は省略し、相違する構成についてのみ以下に説明する。
【０１３５】
図１０において、二酸化炭素回収付ＩＧＣＣプラントは、まず起動用燃料によりガスタービンをある一定負荷まで起動しておき、石炭から石炭ガスを生成する石炭ガス化炉２０２と、石炭ガス化炉２０２で生成した石炭ガスを精製する石炭ガス化ガス精製装置２０３と、石炭ガス化炉２０２で生成した石炭ガスから二酸化炭素と水素を生成するシフト反応器２０６と、シフト反応器２０６で生成した二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置２０７の各装置の運転を開始することで、水素を含む石炭ガス化燃料２１が、ガスタービンのガスタービン燃焼器１ａに供給されるようになる。
【０１３６】
石炭のガス化は、まず酸素製造装置２０１によって精製した酸素１７と石炭１６を石炭ガス化炉２０２において一酸化炭素と水素を主成分とするガスとし、ガス精製装置２０３において不純物などを除去して石炭ガス化ガス１８を製造する。製造された石炭ガス化ガス１８の一部は水素濃度検出手段１０２ａ、流量調整弁２０５を介してガスタービン燃焼器１ａに至るガスタービン燃料供給系統１２３ａ、１２４ａに石炭ガス化燃料２１として供給され、また石炭ガス化ガス１８の一部は流量調整弁２０６を介してシフト反応器２０６に導かれ、残余のガスがガス処理炉２０９で燃焼処理される。
【０１３７】
シフト反応器２０６では石炭ガス化ガス１８に水蒸気１９を供給してシフト反応を起こさせ、組成中の一酸化炭素を二酸化炭素と水素に転換して二酸化炭素回収装置２０７に送り、水蒸気および二酸化炭素を回収して高水素濃度石炭ガス化ガス２０を精製する。
【０１３８】
この高水素濃度石炭ガス化ガス２０もその一部が水素濃度検出手段１０２ｂおよび流量調整弁２０８を介してガスタービン燃焼器１ａに至るガスタービン燃料供給系統１２３ａ、１２４ａに石炭ガス化燃料２１として供給され、残余のガスがガス処理炉２０９で燃焼処理される。
【０１３９】
石炭ガス化燃料２１が供給されるようになると起動用燃料１５は石炭ガス化燃料２１で置き換えられるため、パイロット燃料供給系統１２２と、ガスタービン燃料供給系統１２３ａから分岐したパイロット燃料供給系統１２２には、パイロットバーナ２２に対して供給する燃料を調節する起動用燃料パイロットバーナ燃料遮断弁１０４ａ、起動用燃料パイロットバーナ燃料圧力調整弁１０５ａ、および起動用燃料パイロットバーナ燃料流量調整弁１０６ａが設置され、ガスタービン燃料供給系統１２３ａから分岐したガスタービン燃料供給系統１２２ｂには、パイロットバーナ２２に対して供給する燃料を調節する石炭ガス化燃料パイロットバーナ燃料遮断弁１０４ｂ、石炭ガス化燃料パイロットバーナ燃料圧力調整弁１０５ｂ、および石炭ガス化燃料パイロットバーナ燃料流量調整弁１０６ｂが設置されている。
【０１４０】
複数個設置された各メインバーナ２３に関しては実施例３のガスタービン燃焼器１ａのメインバーナ２３と同様に同軸ノズルバーナを採用しており、実施例３のメインバーナ２３と同様に、内周側メイン燃料供給系統１２３ａには内周側メイン燃料圧力調整弁１０７ａ及び内周側メイン燃料流量調整弁１０８ａが設置され、外周側メイン燃料供給系統１２４ａには外周側メイン燃料圧力調整弁１０７ｂ及び外周側メイン燃料流量調整弁１０８ｂが設置されている。
【０１４１】
そして石炭ガス化燃料２１は前記内周側メイン燃料供給系統１２３ａ及び外周側メイン燃料供給系統１２４ａを介して燃焼器エンドカバー８の取り合い口に導かれ、エンドカバー８の内部の流路を通過して、各メインバーナ２３の燃料分配器２６の外周側空間から燃料ノズル２５を通って空気孔プレート２４に開口した空気孔に向かって噴出し、空気と同軸の噴流となって燃焼室１に噴出して燃焼するように構成されている。
【０１４２】
図１１は本実施例の二酸化炭素回収付ＩＧＣＣプラントに備えられたガスタービン燃焼器１ａを制御する制御装置１００ｃの詳細を示した構成図である。
【０１４３】
二酸化炭素回収付ＩＧＣＣプラントでは複数の燃料の切替が行われるため、制御装置１００ｃに設置された基準燃料流量演算器３０５ｃでは運転指令信号３０１とガスタービンの回転数信号３０２を参照して基準ガスタービン投入燃料信号３０６の他、起動用燃料から石炭ガス化燃料に切り替える際にパイロットバーナ２２に供給する燃料に必要な熱量の信号であるパイロット投入熱量３１５ｄをそれぞれ算出する。
【０１４４】
パイロットバーナ投入熱量信号３１５ｄは起動用燃料流量演算器３４３によって起動用パイロット燃料元流量３１５ａに変換され、実施例２に示した制御装置１００ｂと同様に起動用燃料パイロット燃料供給信号３１５ｃを算出する。
【０１４５】
すなわち燃料に含まれた水素濃度の変化に伴う燃料発熱量の変動を加味したメイン燃料供給信号３２５を、燃料の発熱量を考慮したゲイン演算器３３０によってガスタービン投入発熱量変動のパイロット燃料流量の補正値に変換して、減算器３３２により減算することにより起動用燃料パイロット燃料元流量３１５ａを起動用燃料パイロット燃料流量信号３１５ｅとするものである。
【０１４６】
この起動用燃料パイロット燃料流量信号３１５ｅをパイロット燃料制限器３１４ｂにて運転状態によって定まるパイロット燃料供給信号の上限および下限の間の値になるように補正して、パイロット燃料供給信号３１５ｃとして出力する。この際、実施例１〜３に示した各制御装置１００、１００ａ、１００ｂと異なり、二酸化炭素回収付ＩＧＣＣプラントで生成される水素を含む燃料は、水素濃度の異なる石炭ガス化燃料を混合した燃料であるため、実際にガスタービン燃焼器１ａに供給される燃料の水素濃度３０４は、ガス精製装置２０３から直接ガスタービンに供給される系統に設置された水素濃度検出手段１０２ａから検出される石炭ガス化ガス水素濃度信号３３８、同系統の石炭ガス化ガス流量信号３３９、および二酸化炭素回収装置２０７から供給される系統に設置された水素濃度検出手段１０２ｂから得られるＣＯ２回収後石炭ガス水素濃度信号３４０、同系統のＣＯ２回収後石炭ガス流量信号３４１を入力して供給水素濃度演算器３４２によって算出することで、燃料の水素濃度３０４を得ている。
【０１４７】
二酸化炭素回収付ＩＧＣＣプラントの起動時には石炭ガス化炉２０２からの石炭ガス化燃料２１は生成されていないため、起動初期には、上記の起動用燃料パイロット燃料供給信号３１５ｃは補正なしに起動用燃料１５の流量指示値として使用される。
【０１４８】
石炭ガス化炉２０２が起動して石炭ガス化燃料２１が生成し始めると、ガスタービン燃焼器１ａへの燃料供給は起動用燃料１５から石炭ガス化燃料２１へパイロットバーナ２２に供給する燃料を切り替える運転を行う。
【０１４９】
この際には実施例１に示した制御装置１００と同様に、水素濃度信号３０４を入力として投入燃料水素濃度バイアス算出器３０８により算出された基準ガスタービン投入燃料信号補正値３０９と基準燃料流量演算器３０５ｃにおいて算出された基準ガスタービン投入燃料信号３０６を加算器３１０で加算して水素濃度の変化に伴う燃料発熱量の変動を補正したガスタービン投入燃料信号３１１を算出する。
【０１５０】
さらに減算器３１２によりガスタービン投入燃料信号３１１からメイン燃料供給信号３２５を減算してパイロット燃料供給元信号３１３に変換し、パイロット燃料制限器３１４によって、運転状態によって定まるパイロット燃料供給信号の上限および下限の間の値になるよう補正したものをパイロット燃料供給信号３１５として出力し、このパイロット燃料供給信号３１５に基づいて前記パイロット燃料供給系統１２２ｂに設置されたパイロット燃料圧力調整弁１０５ｂおよびパイロット燃料流量調整弁１０６ｂの開度を変化させてパイロットバーナ２２に供給する石炭ガス化燃料流量を制御する。
【０１５１】
一方、メイン燃料供給信号を算出する制御系統では、基準燃料流量演算器３０５ｃで算出された基準メイン燃料流量３１６を、実施例１〜３に示した各制御装置１００、１００ａ、１００ｂと同様に、メイン燃料水素濃度バイアス算出器３１７によって算出されたメイン燃料流量補正値３１８と加算器３１９で加算し、水素濃度の変化に伴う燃料発熱量の変動を補正したメイン燃料元流量３２０として、メイン燃料安定範囲算出器３２６での算出値および、メイン燃料制限器３２１で補正したメイン燃料流量信号３２２として、信号切替器３２４で運用可能であればメイン燃料流量信号３２２を、運用不可能であれば燃料流量０をメイン燃料供給信号３２５として出力する運転を行う。
【０１５２】
この後、ガスタービン燃焼器１ａの各メインバーナ２３の内周側と外周側とに燃料を供給する燃料比率を、メイン内外周比率演算器３３５によって算出して前記メイン燃料供給信号３２５と乗算することにより、メイン内周側燃料供給信号３３６及びメイン外周側燃料供給信号３３７を得ているのは実施例３に示した制御装置１００ｂの場合と同様である。
【０１５３】
本実施例の制御装置１００ｃにおいて、石炭ガス化燃料２１中の水素濃度信号３３８或いは３４１が減少した場合には、ガスタービン燃焼器１ａの安定燃焼を確保するためにメインバーナ２３である同軸ノズルの内周側の燃焼比率が外周側の燃焼比率よりも高くなるように、内周側メイン燃料供給系統１２３ａを通じて供給する燃料流量が外周側メイン燃料供給系統１２４ａを通じて供給する燃料流量より多くなるように、前記内周側メイン燃料圧力調整弁１０７ａ及び内周側メイン燃料流量調整弁１０８ａ、並びに外周側メイン燃料圧力調整弁１０７ｂ及び外周側メイン燃料流量調整弁１０８ｂの開度を制御装置１００ｂによってそれぞれ制御して、メインバーナ２３の内周側の燃焼比率を上げる。
【０１５４】
次に、石炭ガス化燃料２１中の水素濃度信号３３８或いは３４１が増加して水素濃度が所定の値（例えば約４８％）に達するまでは、ガスタービン燃焼器１ａのメインバーナ２３である同軸ノズルの内周側の燃焼比率が外周側の燃焼比率よりも低くなるように、内周側メイン燃料供給系統１２３ａを通じて供給する燃料流量が外周側メイン燃料供給系統１２４ａを通じて供給する燃料流量より少なくなるように、前記内周側メイン燃料圧力調整弁１０７ａ及び内周側メイン燃料流量調整弁１０８ａ、並びに外周側メイン燃料圧力調整弁１０７ｂ及び外周側メイン燃料流量調整弁１０８ｂの開度を制御装置１００ｂによってそれぞれ制御して、メインバーナ２３の外周側の燃焼比率を上げる。
【０１５５】
更に、石炭ガス化燃料２１中の水素濃度信号３３８或いは３４１が増加して水素濃度が所定の濃度（例えば約４８％）を超えた場合には、ガスタービン燃焼器１ａの燃焼室内に形成される火炎の位置が燃焼室下流側に移動させてガスタービン燃焼器の信頼性を確保するために、メインバーナ２３である同軸ノズルの内周側の燃焼比率が外周側の燃焼比率よりも高くなるように、内周側メイン燃料供給系統１２３ａを通じて供給する燃料流量が外周側メイン燃料供給系統１２４ａを通じて供給する燃料流量より多くなるように、前記内周側メイン燃料圧力調整弁１０７ａ及び内周側メイン燃料流量調整弁１０８ａ、並びに外周側メイン燃料圧力調整弁１０７ｂ及び外周側メイン燃料流量調整弁１０８ｂの開度を制御装置１００ｂによってそれぞれ制御して、メインバーナ２３の内周側の燃焼比率を上げる。
【０１５６】
この結果、パイロット燃料供給信号３１５ｃに対するメイン燃料供給信号３２５の燃料比率が減少するので、燃料中の水素濃度が減少した場合でもガスタービン燃焼器の燃焼は安定燃焼範囲内に制御することが可能となり、ガスタービン燃焼器の安定燃焼を実現することができる。
【０１５７】
本実施例によれば、燃料中に含まれる水素濃度が変動する燃料をガスタービン燃焼器に用いた場合に、水素濃度の変動に起因して形成される火炎がガスタービン燃焼器の構造物に接近して信頼性上の問題を引き起こすことを回避すると共に、低ＮＯｘ燃焼性能を維持し得る予混合燃焼方式のガスタービン燃焼器の制御装置およびガスタービン燃焼器の制御方法が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１５８】
本発明はガスタービンプラントに設置されたガスタービン燃焼器の燃料流量制御として、特に燃料組成に水素を含む燃料によって運転される予混合燃焼方式のガスタービン燃焼器の制御装置およびガスタービン燃焼器の制御方法に適用可能である。
【符号の説明】
【０１５９】
１：ガスタービン燃焼器、１ａ：ガスタービン燃焼室、２：燃焼器外筒、３：燃焼器ライナー、４：燃焼器尾筒、５：圧縮機、６：タービン、７：車室、８：燃焼器エンドカバー、１０：圧縮空気、１１：冷却空気、１２：燃焼用空気、１３：燃焼ガス、１４：燃料、１４ａ：燃料供給系統、１５：起動用燃料、１６：石炭、１７：酸素１８：石炭ガス化ガス、１９：水蒸気、２０：高水素濃度（ＣＯ２回収後）石炭ガス化ガス、２１：石炭ガス化燃料、２２：パイロットバーナ、２３：予混合燃焼方式メインバーナ、２４：空気孔プレート、２５：燃料ノズル、２６：燃料分配器、１００：制御装置、１０１：燃料圧縮機、１０２、１０２ａ、１０２ｂ：水素濃度検知手段、１０３：遮断弁、１０４：起動用燃料遮断弁、１０５：パイロット燃料圧力調整弁、１０５ａ：起動用燃料パイロット燃料圧力調整弁、１０５ｂ：水素含有パイロット燃料圧力調整弁、１０６：パイロット燃料流量調整弁、１０６ａ：起動用燃料パイロット燃料流量調整弁、１０６ｂ：水素含有燃料パイロット燃料流量調整弁、１０７：メイン燃料供給圧力調整弁、１０７ａ：内周側メイン燃料圧力調整弁、１０７ｂ：外周側メイン燃料圧力調整弁、１０８：メイン燃料流量調整弁、１０８ａ：内周側メイン燃料流量調整弁、１０８ｂ：外周側メイン燃料流量調整弁、１２２、１２２ｂ：パイロット燃料供給系統、１２３：メイン燃料供給系統、１２３ａ：内周側メイン燃料供給系統、１２４ａ：外周側メイン燃料供給系統、２０１：酸素製造装置、２０２：石炭ガス化炉、２０３：石炭ガス化ガス精製装置、２０４、２０５：流量調整弁、２０６：シフト反応器、２０７：二酸化炭素回収装置、２０８：流量調整弁、２０９：ガス処理炉、３０１：運転指令信号、３０２：ガスタービン回転数信号、３０３：ガスタービン運転計画線、３０４：水素濃度信号、３０５、３０５ａ、３０５ｂ：基準燃料流量演算器、３０６：基準ガスタービン投入燃料信号、３０７：基準メイン燃料流量演算器、３０８：投入燃料水素濃度バイアス算出器、３０９：基準ガスタービン投入燃料信号補正値、３１０：加算器、３１１：ガスタービン投入燃料信号、３１２：減算器、３１３：パイロット燃料供給元信号、３１４：パイロット燃料制限器、３１５：パイロット燃料供給信号、３１５ａ：パイロット燃料元流量、３１５ｂ：パイロット燃料供給元信号、３１５ｃ：起動用燃料パイロット燃料供給信号、３１５ｄ：パイロットバーナ投入熱量信号、３１５ｅ：起動用燃料パイロット燃料流量信号、３１６：基準メイン燃料流量、３１７：メイン燃料水素濃度バイアス算出器、３１８：メイン燃料流量補正値、３１９：加算器、３２０：メイン燃料元流量、３２１：メイン燃料制限器、３２２：メイン燃料流量信号、３２３：比較器、３２４：信号切替器、３２５：メイン燃料供給信号、３２６：メイン燃料安定範囲算出器、、３２７：メイン燃料安定範囲バイアス、３２８：パイロット燃料制限補正値演算器、３２９：パイロット燃料制限器水素濃度バイアス、３３０：ゲイン演算器、３３１：パイロット燃料流量発熱量変動補正値、３３２：減算器、３３３：メイン内外周比率演算器、３３４：メイン内外周比率信号、３３５：メイン内外周燃料流量演算器、３３６：メイン内周側燃料供給信号、３３７：メイン外周側燃料供給信号、３３８：石炭ガス化ガス水素濃度信号、３３９：石炭ガス化ガス流量信号、３４０：ＣＯ２回収後石炭ガス水素濃度信号、３４１：ＣＯ２回収後石炭ガス流量信号、３４２：供給水素濃度演算器。
【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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