(57)【要約】【課題】  水分添加開始の前及び後でも、燃焼器の低ＮＯｘを維持しかつ火炎の安定性も維持可能な高湿分空気利用ガスタービンプラント及びその運転方法を提供する。【解決手段】  個別に燃料が供給される複数の燃焼部を備えた燃焼器の一部の燃焼部を他の部分よりも保炎性に優れた燃焼部（空気流に旋回成分を与える空気孔を備えた燃焼部）で構成し、圧縮空気への増湿開始後の所定期間または所定の条件が成立している期間、保炎性に優れた燃焼部における燃焼ガス温度が増湿開始前の燃焼ガス温度以上となるように、保炎性に優れた燃焼部に供給される燃料の比率を大きく設定して燃料流量を制御する。【選択図】図４
2008175098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を加湿する増湿装置を備えた高湿分空気利用ガスタービンであって、
前記燃焼器は、個別に燃料が供給される複数の燃焼部を備え、該複数の燃焼部の一部は他の部分よりも保炎性に優れた燃焼部で構成され、
前記増湿装置による増湿開始後の所定期間、前記保炎性に優れた燃焼部における燃焼ガス温度が前記増湿装置による増湿開始前の燃焼ガス温度以上となるように、前記保炎性に優れた燃焼部に供給される燃料の流量を制御する燃料流量制御装置を有することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
【請求項２】
圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を加湿する増湿装置を備えた高湿分空気利用ガスタービンであって、
前記燃焼器は、個別に燃料が供給される複数の燃焼部を備え、該複数の燃焼部の一部は他の部分よりも保炎性に優れた燃焼部で構成され、
前記増湿装置による増湿開始後の所定期間、前記複数の燃焼部の各々に供給する燃料の比率を、前記保炎性に優れた燃焼部の燃料比率が前記増湿装置による増湿開始前の燃料比率よりも大きくなるように設定して、前記複数の燃焼部の各々に供給される燃料の流量を制御する燃料流量制御装置を有することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
【請求項３】
圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を加湿する増湿装置を備えた高湿分空気利用ガスタービンであって、
前記燃焼器は、個別に燃料が供給される複数の燃焼部を備え、該複数の燃焼部の一部は他の部分よりも保炎性に優れた燃焼部で構成され、
前記増湿装置による増湿開始の際に、所定の条件が成立している間、前記複数の燃焼部の各々に供給する燃料の比率を、前記保炎性に優れた燃焼部の燃料比率が前記所定の条件が成立していないときの燃料比率よりも大きくなるように設定して、前記複数の燃焼部の各々に供給される燃料の流量を制御する燃料流量制御装置を有することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
【請求項４】
請求項３において、前記所定の条件は、前記増湿装置による増湿が開始し、かつ、負荷信号又は前記燃焼器へ供給する燃料の燃料流量指令信号が所定値以下のときであることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
【請求項５】
圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を加湿する増湿装置を備えた高湿分空気利用ガスタービンであって、
前記燃焼器は、個別に燃料が供給される複数の燃焼部を備え、該複数の燃焼部の一部は他の部分よりも保炎性に優れた燃焼部で構成され、
部分負荷運転状態で、前記増湿装置により増湿させる際に、増湿開始後の所定期間、前記保炎性に優れた燃焼部における燃焼ガス温度が、火炎が保たれる燃焼ガス温度以上となるように、前記保炎性に優れた燃焼部に供給される燃料の流量を制御すると共に、その他の燃焼部に供給される燃料の流量を増湿開始前よりも減少させるように制御する燃料流量制御装置を有することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかにおいて、前記増湿装置は前記圧縮機からの圧縮空気に水を添加して加湿するものであり、前記増湿装置で加湿された圧縮空気と前記タービンからの排ガスを熱交換する再生熱交換器を備えることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
【請求項７】
請求項６において、前記増湿装置に供給される水と前記再生熱交換器からの排ガスとを熱交換する給水加熱器を備えることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかにおいて、前記複数の燃焼部は、燃料噴流と該燃料噴流の周囲にほぼ同軸となるように流れる空気流とから構成される燃料―空気同軸噴流を複数形成するように、燃焼室に燃料を噴出する複数の燃料ノズルと空気を噴出する複数の空気孔を配置してなることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
【請求項９】
請求項８において、前記保炎性に優れた燃焼部は、空気流に旋回成分を与えるように前記複数の空気孔が形成されていることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
【請求項１０】
圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を加湿する増湿装置を有し、前記燃焼器は、個別に燃料が供給される複数の燃焼部を備え、該複数の燃焼部の一部は他の部分よりも保炎性に優れた燃焼部で構成された高湿分空気利用ガスタービンの運転方法であって、
前記増湿装置による増湿開始の際に、発電量増加率が所定値となるように、前記複数の燃焼部からなる燃焼器に供給する燃料の全体燃料流量を減少させ、
前記保炎性に優れた燃焼部に供給する燃料の比率が前記燃焼器への全体燃料流量を減少させる前の燃料比率よりも大きくなるように、前記複数の燃焼部に燃料を供給することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービンの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高湿分空気を利用したガスタービン及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高湿分空気利用ガスタービンは、ガスタービン作動流体（空気）に水分を添加して加湿し、この加湿空気によってガスタービン排ガスの持つ熱エネルギーを回収することで、出力及び効率の向上を図るものである。この高湿分空気利用ガスタービンを用いた発電プラントとしては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１では、水分添加開始後の負荷変動に対し空気中の湿分量を安定に制御する手段が開示されている。
【０００３】
一方、燃焼器で発生するＮＯｘは、天然ガスや灯油，軽油等の窒素含有量の少ない燃料を用いる場合、空気中の窒素が酸化されて発生するサーマルＮＯｘが大部分であり、サーマルＮＯｘの生成は温度依存性が高いため、一般にこれらの燃料を使用するガスタービンでは、火炎温度の低減が低ＮＯｘ燃焼法の基本思想である。火炎温度を低減する方策として、燃料と空気を予め混合した後に燃焼させる予混合燃焼が知られている。また、予混合燃焼方式における逆火等の燃焼安定性を改善して低ＮＯｘを実現するものとして、特許文献２に示されているような、燃料と空気を多数の小径の同軸噴流として燃焼室に供給するように構成した燃焼器が知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３０７８６１
【特許文献２】特開２００３−１４８７３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高湿分空気利用ガスタービンプラントで、圧縮空気に水分添加（加湿又は増湿）が開始されると、燃焼器においては燃焼空気中の湿分が増加するため、燃料の燃焼熱が湿分に奪われる分、火炎温度が低下し、ＮＯｘ発生量は減少する。また、水分の添加によってタービン作動流体が増加するため、回転数を一定に保持するために燃料が減少することによっても火炎温度が低下し、ＮＯｘ発生量は減少する。また、加湿された圧縮空気とタービンからの排ガスを熱交換する再生熱交換器（再生器）を設置している場合においては、火炎温度が低下したことにより、再生器での回収熱量が減少するため、燃焼空気温度が低下することによっても火炎温度が低下し、ＮＯｘ発生量は減少する。このように水分添加が開始されることよって、（１）湿分増加、（２）燃料減少、（３）空気温度低下（再生器設置の場合）が同時に進行して火炎温度が低下するため、ＮＯｘ発生量は減少する。
【０００６】
しかし、火炎温度の低下に伴い、逆に火炎の安定性は悪くなるため、燃焼器に供給する空気配分の設定時には、このような条件でも火炎の吹き消えが生じないように、空気流量を設定する必要がある。しかしながら、このように空気流量を設定した場合には、水分添加開始前には、逆に火炎温度が高くなるため、水分添加開始後の火炎の安定性は確保されるものの水分添加開始前のＮＯｘ発生量は増加する傾向がある。
【０００７】
このように、高湿分空気利用ガスタービンプラントにおいては、水分添加開始前後で、燃焼器のＮＯｘ生成および火炎安定性に対して大きな条件変化が生ずる。
【０００８】
本発明の目的は、水分添加（加湿又は増湿）開始の前及び後でも、燃焼器の低ＮＯｘを維持しかつ火炎の安定性も維持可能な高湿分空気利用ガスタービンプラント及びその運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、前記目的を達成するために、個別に燃料が供給される複数の燃焼部を備えた燃焼器の一部の燃焼部を他の部分よりも保炎性に優れた燃焼部（例えば、空気流に旋回成分を与える空気孔を備えた燃焼部）で構成し、圧縮空気への増湿開始後の所定期間、保炎性に優れた燃焼部における燃焼ガス温度が増湿開始前の燃焼ガス温度以上となるように、保炎性に優れた燃焼部に供給される燃料の流量を制御するようにしたものである。
【００１０】
また、保炎性に優れた燃焼部に供給される燃料の流量を制御し、燃焼ガス温度の低下を抑制することは、複数の燃焼部の各々に供給する燃料の比率を、保炎性に優れた燃焼部の燃料比率が増湿開始前の燃料比率よりも大きくなるように設定して、複数の燃焼部の供給される燃料の流量を制御することでもある。
【００１１】
また、保炎性に優れた燃焼部の燃料比率を大きくする期間は予め定めても良いが、所定の条件（例えば、増湿が開始し、かつ、負荷信号又は燃焼器へ供給する燃料の燃料流量指令信号が所定値以下という条件）が成立している間としても良い。
【００１２】
また、火炎安定性という観点からすると、起動時の部分負荷運転状態で増湿を開始するときに注意する必要があり、この部分負荷運転状態で増湿開始後の所定期間、保炎性に優れた燃焼部の燃焼ガス温度が、火炎が保たれる燃焼ガス温度以上となるように、保炎性に優れた燃焼部に供給される燃料の流量を制御することにより、前記目的は達成される。
【００１３】
また、本発明の高湿分空気利用ガスタービンの運転方法は、増湿開始の際に、発電量増加率が所定値となるように、複数の燃焼部からなる燃焼器に供給する燃料の全体燃料流量を減少させ、保炎性に優れた燃焼部に供給する燃料の比率が燃焼器への全体燃料流量を減少させる前の燃料比率よりも大きくなるように、複数の燃焼部に燃料を供給するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、増湿開始前のＮＯｘ発生量が低レベルとなるように燃焼器に供給する空気の流量を設定しても、増湿開始後も、保炎性に優れた燃焼部における燃焼ガス温度を増湿開始前と同等または高くする（火炎が保たれる燃焼ガス温度に維持する）ように燃料流量を制御しているので、燃焼器全体に供給する燃料が減少（結果的に、その他の燃焼部に供給される燃料の流量が減少）しても燃焼器全体の燃焼安定性を確保することができる。その結果、高湿分空気利用ガスタービンの水分添加開始前後でのＮＯｘ発生量を低レベルに維持することができ、また、燃焼の安定性（火炎の安定性）を損なうことなく、信頼性の高い水分添加を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を用いて本発明の高湿分空気利用ガスタービンの実施例について説明する。
【００１６】
（１）第１の実施形態
図１は本発明の第１の実施の形態に係る高湿分空気利用ガスタービンシステムの全体構成を表すシステムフロー図である。
【００１７】
発電用高湿分空気利用ガスタービンは、圧縮機１，燃焼器２，タービン３，増湿器４，再生器（再生熱交換器）５から構成され、タービン３の出力により発電機２０を回転させ電力を得る。燃焼器２は、本体ケーシング６，燃焼器ケーシング７、および燃焼器カバー８内に格納されている。燃焼器２上流端中央には燃料ノズル９があり、その下流には、未燃の空気と既燃の燃焼ガスを隔てる概略円筒状の燃焼器ライナ１０がある。燃焼器ライナ１０の外周には、空気流路を形成し、流れを制御するための外周壁（以下、フロースリーブ１１）がある。フロースリーブ１１は燃焼器ライナ１０よりも直径が大きく、ほぼ同心円筒状に配置されている。燃焼器ライナ１０の下流には、燃料ガスをタービンへ導くための尾筒内筒１２があり、その外周には尾筒外筒１３がある。
【００１８】
また、本実施例の高湿分空気利用ガスタービンでは、圧縮機１入口のガスタービン吸い込み空気１００に水３００を噴霧する吸気噴霧装置２７を備えている。水噴霧後の空気
１０１（大気圧）を圧縮機１で圧縮した高圧空気１０２は、本体ケーシング６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、尾筒内筒１２を外壁面から対流冷却する。尾筒内筒１２を冷却した後の抽気空気１０３は、尾筒外筒１３によって形成された抽気流路１４を通って本体ケーシング６外へと抽気される。
【００１９】
抽気空気１０３は、増湿器４において水分を添加され加湿空気１０４となる。空気の加湿方法としては、濡壁塔或いは増湿塔による加湿が知られている。
【００２０】
増湿器４で水分を添加された加湿空気１０４は、再生器５に導かれ、ガスタービン排ガス１０７（タービン出口低圧燃焼ガス）との熱交換により加熱されて、再生器通過後の高温空気１０５となり燃焼器ケーシング７へと注入される。燃焼器ケーシング７内での空気は、フロースリーブ１１と燃焼器ライナ１０の間の概して環状の空間を通って燃焼器頭部へ向かって流れ、途中燃焼器ライナ１０の対流冷却に使用される。また、その一部は燃焼器ライナ１０に設けられた冷却孔から燃焼器ライナ内へ流入し、フィルム冷却に使用される。残りの空気は、燃料ノズル９に設けられた空気孔から燃焼器ライナ内に流入し、燃料ノズルから噴出される燃料（２０１〜２０４）とともに燃焼に使用され、高温の燃焼ガス１０６となって尾筒内筒１２を通ってタービン３へと送られる。タービン３を出た低圧のガスタービン排ガス１０７は再生器５で熱回収された後、給水加熱器２２，排ガス再過熱器２３，水回収装置２４を経て、排気ガス１０９として排気塔２５から排気される。また、燃焼排ガス中の水分は途中の水回収装置２４で回収する。本図では、水回収の方式として煙道に水を噴霧し、ガス中の水分を凝集、落下させて回収する方式となっている。
【００２１】
タービン３で得られた駆動力はシャフト２１を通じて圧縮機１及び発電機２０に伝えられる。駆動力の一部は圧縮機１において空気の加圧に用いられる。また、発電機２０で駆動力を電力に変換する。
【００２２】
水回収装置２４及び増湿器４の底部から回収した水は、水回収装置２４への噴霧水あるいは増湿塔４への加湿水として再利用する。その際、回収水は水処理装置２６で不純物が取り除かれる。
【００２３】
高湿分空気利用ガスタービン発電プラントの出力である発電量ＭＷは、燃料流量調整弁（２１１〜２１４）の開閉により制御する。一方、空気への加湿量は増湿器４への加湿水量を調整弁３１１で制御する。
【００２４】
図２は本実施例で用いる燃焼器、特に、燃料ノズル９の詳細構造を示した図である。本実施例で用いる燃焼器は、燃料‐空気同軸噴流の燃焼器である。高湿分空気利用ガスタービンプラントのように、再生器により燃焼用空気が高温化されている場合でも燃料の自発火を防止しつつ、火炎温度を適度に制御して低ＮＯｘ化を図るためには、燃料と空気を多数の小径の同軸噴流として燃焼室に噴出する方法が有効である。
【００２５】
燃焼器カバー８の燃料ノズルヘッダ３０に多数の燃料ノズル３１が取り付けられており、その１本１本に対応した空気孔３２を備えた空気孔プレート３３が、サポート３４を介して燃焼器カバー８に取り付けられた構造となっている。
【００２６】
一対の燃料ノズル３１と空気孔３２はほぼ同心状であり、中央に燃料噴流３５，その周囲に空気３６の同軸噴流を多数形成することができる。この同軸噴流構造により、空気孔３２内では燃料−空気は未混合である（自発火が発生するまでに混合されていない）ため、高湿分空気利用ガスタービンの様に燃焼空気が高温であっても、燃料の自発火は発生せず、空気孔プレート３３を溶損するようなことなく、信頼性の高い燃焼器にすることができる。
【００２７】
また、このような小さな同軸噴流を多数形成することにより、燃料と空気の界面が増加し混合が促進するため、ＮＯｘの発生量を抑制することができる。かくして、高湿分空気利用ガスタービンにおいても低ＮＯｘと安定燃焼を両立することが可能となる。
【００２８】
図３は空気孔プレート３３を燃焼器下流側から見た図である。本実施例においては、多数の空気孔（および、図示されていないが空気孔と対を成す燃料ノズル）は同心状に８列配置されている。また、中心から４列（第１列〜第４列）で構成される燃焼部が第１群
（Ｆ１）、第５列で構成される燃焼部が第２群（Ｆ２）、その外側の２列（第６，７列）で構成される燃焼部が第３群（Ｆ３）、最外周（第８列）で構成される燃焼部が第４群
（Ｆ４）と群分けされており、図１及び図２に示した様に、Ｆ１〜Ｆ４それぞれの群ごとにヘッダ３０に設けたフランジ（４１〜４４）を通して燃料が供給できる様になっている。このような燃料系統の群分け構造により、ガスタービンの燃料流量変化に対し燃料供給する燃料ノズルの本数を段階的に変化させる燃料ステージングが可能となり、ガスタービン部分負荷運転時の燃焼安定性が高まるとともに低ＮＯｘ化が可能となる。さらに中央の４列（Ｆ１）の空気孔はピッチ円接線方向に角度（図３中のα°、本実施例では１５°としている）を持った斜め穴にすることで、空気流全体に旋回をかけ、生じる循環流によって火炎を安定化させている。Ｆ１の周囲のＦ２〜Ｆ４は、中央のＦ１バーナの燃焼熱によって火炎が安定化される。
【００２９】
この燃焼器の運転方法について図４のグラフも参照しながら説明する。図４の横軸は起動開始からの時刻、縦軸は上から回転数，発電量，水分添加量，燃料流量（２００），燃焼ガス温度，Ｆ１〜Ｆ４各系統の個別燃料流量を模式的に表したものである。また、期間ａは起動から定格回転数に達するまでの回転数昇速期間、期間ｂはガスタービン起動中の増負荷期間、期間ｃは起動終了後の負荷追従運転期間を表す。増負荷期間ｂは前半の水分無添加期間ｂ１と水分添加量増加期間ｂ２に分かれる。
【００３０】
まず、燃料流量が比較的少ない着火および昇速時は中央のＦ１のみで運転（すなわち燃料系統２０１のみに燃料を供給）し、定格回転数無負荷条件付近まで昇速させる。この
Ｆ１単独燃焼を今後の説明では１／４モードと呼ぶことにする。次にそれ以降の負荷上昇過程では、Ｆ１の外周のＦ２に燃料を投入して、Ｆ１＋Ｆ２で運転する。すなわち、燃料系統２０１および２０２に燃料を供給し、燃料流量調節弁２１１および２１２により各燃料流量を制御する。このときを２／４モードと呼ぶことにする。
【００３１】
次に、さらに周囲の燃料系統２０３に燃料を供給し、Ｆ３に着火した状態を３／４モードと呼ぶ。ここまでの過程では増湿器４には水分が添加されていない（ｂ１）。またこの間の燃料流量増加は、ガスタービンの起動計画に定められた負荷上昇率に従ってガスタービン発電量が増加する様に、燃料流量調節弁２１１，２１２および２１３によって燃料流量が制御される。また、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３各系統の燃料流量配分は燃焼を安定させ、かつ生成するＮＯｘを最小とするため、燃焼温度がＦ１，Ｆ２，Ｆ３においてほぼ同じとなる様に定められた比率で供給される。
【００３２】
本実施例においては、この３／４モードで増湿器４への水分添加を開始する。一般に、ガスタービン起動時の回転数上昇時には、圧縮機吸込み空気流量や回転体の振動特性が変化するため、定格回転数到達後に比べると外乱により系が不安定になりやすい傾向がある。高湿分空気利用ガスタービンプラントにおいて、回転数上昇途中に水分添加を開始すると、ガスタービンに対して外乱を与えることになるため、起動時の安定性を確保するためには、定格回転数到達後の部分負荷状態で水分添加を開始する方が望ましいからである。
【００３３】
増湿器給水弁３１１が所定の速度で開き、高圧空気１０３が加湿されることにより、タービン３を駆動する作動流体量が増加する。この際、発電量増加率を所定の速度にするため、Ｆ１〜Ｆ３のトータル燃料流量は一時的に減少する。しかし本発明により、水分添加開始後の所定時間の間はＦ１の燃料比率が水分添加前に比べて増加するため、Ｆ１に供給される燃料流量は加湿前とほぼ同等または増加し、すなわちＦ１の燃焼ガス温度は加湿前とほぼ同等または高くなり、Ｆ１の火炎安定性が確保される。一方、Ｆ２，Ｆ３の燃料比率は減少し、燃料流量は減少するが、Ｆ１の火炎の燃焼熱により保炎しているため、Ｆ１の燃料比率が増加することでＦ２，Ｆ３の火炎の安定性も確保可能となる。このように本発明により、全体的な火炎の安定性を確保したまま、負荷上昇および増湿が可能となる。その後定格負荷に到達し、ガスタービンの起動完了となる。高負荷運転時においては、主として最外周のＦ４の燃料流量を増減させて対応する。このときＦ４燃料と空気の混合気は、Ｆ１〜Ｆ３までの燃焼ガスと混合して高温になるため、燃料の酸化反応が進行し、高い燃焼効率を得ることができる。また燃焼完結後の温度をＮＯｘ生成が顕著となる温度
(おおよそ１６００℃)以下になるよう空気配分が設定されているため、Ｆ４からのＮＯｘ発生をほとんど零とする燃焼が可能となる。また投入したＦ４燃料がごくわずかでも反応が完結するため、連続的な燃料切り換えが可能となり、運用性が向上する。
【００３４】
図５のグラフは、本発明を用いない場合の課題を説明するものである。すなわち、水分添加開始時のＦ１燃料比率を増加させない場合、Ｆ１の燃料流量が減少し、Ｆ１の燃焼ガス温度が低下することにより、Ｆ１の火炎の安定性が低下し、これに伴いＦ２，Ｆ３の火炎の安定性も低下するため、火炎が吹き消える可能性が大きくなる。このとき水分添加後の安定性を向上させるため、空気孔３２の大きさを小さくして局所的な燃空比を大きくすることも可能だが、逆に水分添加前の燃焼温度が高くなってＮＯｘ発生量が増加する。
【００３５】
かくして、本発明により図４に示したような燃料制御とすることにより、水分添加前後のＦ１の燃焼安定性を確保できるため、水分添加前の低ＮＯｘ化を図り、かつ水分添加後の燃焼安定性を確保することが可能となる。
【００３６】
図６は本実施例による高湿分利用ガスタービンの燃料流量制御の一例を示したものである。
【００３７】
予め設定されたタービン速度指令信号４１１及び、負荷指令信号４１２と、実際のタービン速度の信号であるタービン速度信号４１１ａ及び、実際の負荷の信号である負荷信号４１２ａがガスタービン制御装置４０１に入力され、燃料流量指令信号４１４が演算された後、該ガスタービン制御装置４０１から出力される。該燃料流量指令信号４１４は燃料流量制御装置４０２内の燃料比率制御コントローラ４０３と燃料流量制御コントローラ
４０５にそれぞれ入力される。該燃料比率制御コントローラ４０３内では入力された該燃料流量指令信号４１４に基づき、Ｆ１からＦ４の燃料比率が演算され、Ｆ１−Ｆ４燃料比率信号４１６−４１９が出力される。Ｆ１からＦ４の燃料比率は、例えば、Ｆ１からＦ４各群の空気配分あるいはノズル数に比例した比率に設定することで、各群の燃焼温度を同等とし、低ＮＯｘかつ安定な燃焼を実現することができる。出力された該Ｆ１−Ｆ４燃料比率信号４１６−４１９は燃料比率補正コントローラ４０４に入力され、補正演算が行われた後、Ｆ１−Ｆ４補正燃料比率信号４１６ａ−４１９ａとして出力され、燃料流量制御コントローラ４０５に入力される。該燃料流量制御コントローラ４０５では該Ｆ１−Ｆ４補正燃料比率信号４１６ａ−４１９ａと燃料流量指令信号４１４に基づき、Ｆ１−Ｆ４燃料流量調節弁２１１−２１４の制御指令であるＦ１−Ｆ４燃料流量調節弁開度指令４２０−４２３が演算された後出力され、該Ｆ１−Ｆ４燃料流量調節弁２１１−２１４が所定の開度になり、Ｆ１からＦ４に所定の燃料流量が供給される。
【００３８】
次に、該燃料比率補正コントローラ４０４について詳細に説明する。該燃料比率補正コントローラ４０４内にはＦ１燃料比率信号４１６に所定の比率を加算する加算器４０７と、Ｆ２−Ｆ４燃料比率信号４１７−４１９から所定の比率を減算する減算器４０８−410が設置されている。該加算器４０７と該減算器４０８−４１０は燃料比率補正信号415ａが入力されている場合にのみ作動し、該燃料比率補正信号４１５ａが入力されていない場合は、入力されたＦ１−Ｆ４燃料比率信号４１６−４１９をそのまま出力する。
【００３９】
また、該燃料比率補正信号４０５ａについては、ガスタービン制御装置４０１に湿分投入指令４１３が入力された際に、湿分投入指令信号４１５が該ガスタービン制御装置401より出力され、タイマ４０６に入力される。該タイマ４０６内では、湿分投入指令信号
４１５の入力開始から所定の時間のみ燃料比率補正信号４１５ａが出力され、所定の時間経過後は該燃料比率補正信号４１５ａが出力されなくなる。
【００４０】
ここで、湿分供給開始前後でのガスタービン燃料流量制御の作動方法を説明する。湿分供給開始前は、該燃料比率制御コントローラ４０３内に入力された該燃料流量指令信号
４１４に基づき演算された、Ｆ１−Ｆ３燃料比率信号４１６−４１８が燃料比率補正コントローラ４０４に入力される。この時、湿分投入指令４１３がガスタービン制御装置401に入力されておらず、燃料比率補正信号４１５ａは出力されていないため、加算器４０７と減算器４０８−４１０は作動していない。よって、該燃料比率補正コントローラ４０４に入力されたＦ１−Ｆ３燃料比率信号４１６−４１８は補正されずに燃料流量制御コントローラに入力され、演算されたＦ１−Ｆ３燃料流量調節弁開度指令４２０−４２２が出力され、Ｆ１−Ｆ３の燃焼ガス温度が同等となる燃料流量でＦ１−Ｆ３に燃料が供給される。
【００４１】
一方、湿分供給開始時は湿分投入指令４１３がガスタービン制御装置４０１に入力されるため、湿分投入指令信号４１５の入力開始から所定の時間のみ燃料比率補正信号415ａが出力される。よって、湿分供給開始から所定の時間のみ燃料比率補正コントローラ404
内の加算器４０７と減算器４０８−４０９が作動するため、Ｆ１燃料比率信号４１６には所定の比率が加算され、Ｆ２−Ｆ３燃料比率信号４１７−４１８からは所定の比率が減算され、Ｆ１−Ｆ３燃料比率信号４１６ａ−４１８ａが出力される。Ｆ１−Ｆ３燃料比率補正信号４１６ａ−４１８ａに基づき演算されたＦ１−Ｆ３燃料流量調節弁開度指令が燃料流量制御コントローラから出力され、Ｆ１−Ｆ３に燃料が供給される。この時、Ｆ１に供給される燃料流量の比率は湿分供給開始前に比べて大きくなるため、Ｆ１の燃焼ガス温度は高くなることから、Ｆ１の燃焼安定性が確保される。逆に、Ｆ２，Ｆ３に供給される燃料流量の比率は湿分供給開始前に比べて小さくなるが、高温で安定に燃焼しているＦ１の燃焼ガスによって、Ｆ２，Ｆ３の燃焼安定性も確保される。
【００４２】
次に、湿分供給開始から所定の時間経過後はタイマ４０６から燃料比率補正信号415ａが出力されなくなるため、燃料比率補正コントローラ４０４内の加算器４０７と減算器
４０８−４０９が作動しなくなり、該燃料比率補正コントローラ４０４に入力されたＦ１−Ｆ３燃料比率信号４１６−４１８は補正されずに燃料流量制御コントローラに入力され、湿分供給開始前と同様にＦ１−Ｆ３の燃焼ガス温度が同等となる燃料流量でＦ１−Ｆ３に燃料が供給される。タイマ４０６に設定する所定時間は、火炎の安定性の観点から定められる。例えば、後述の実施の形態で説明する条件となる時間を予め把握することにより定められる。
【００４３】
以上の燃料流量制御により、ＮＯｘの低減を図ると共に、燃焼器全体の燃焼安定性を確保したままでの負荷上昇及び増湿を可能とすることができる。
【００４４】
（２）第２の実施形態
図７，図８は本発明の第２の実施例について示した図であり、図７は第１の実施例における図３に対応し、図８は第１の実施例における図６にそれぞれ対応するものである。
【００４５】
図７において図３に示した第１の実施例と異なる点は、第１の実施例の燃料ノズルと空気孔の配列群を縮小した形のものを５つ配置していることにある。第１の実施例の燃焼器では中央の燃焼部（Ｆ１）の空気孔をピッチ円接線方向に角度を持った斜め穴にすることで、空気流全体に旋回をかけ、これによって生じる循環流によってＦ１〜Ｆ４の燃焼部全体の火炎を安定化させている。これに対し、第２の実施例の燃焼器ではＦ２ａ〜Ｆ４ａの各燃焼部の中央にピッチ円接線方向に角度（第１の実施例と同様に、α＝１５°）を持った空気孔を有する燃焼部（Ｆ１ａ）が配置されている。このため、各Ｆ１ａによって生じる循環流によって、Ｆ２ａ〜Ｆ４ａの各燃焼部の燃焼安定性を、個々に確保することが可能となる。
【００４６】
本実施例の燃焼器の運用方法については第１の実施例と同様に、点火・昇速段階はF1aのみに燃料を投入し、その後負荷上昇に伴い、Ｆ２ａ，Ｆ３ａ，Ｆ４ａに順に燃料を投入していく。また、湿分投入開始時期に関しても第１の実施例と同様に、Ｆ３ａまで着火した状態にて湿分投入を行う。
【００４７】
図８は第２の実施例による高湿分利用ガスタービンの燃料流量制御の一例を示したものである。図示を省略している部分は、図６と同じである。図８において図６に示した第１の実施例と異なる点は、燃料比率補正信号４１５ａの出力時期を燃料流量指令信号４１４に基づき決定している点にある。第１の実施例においては、タイマ４０６を用いることにより、燃料比率補正の時期を時間により制御しており、制御ロジックが簡便化されるという特徴をもっている。その反面、増湿開始から燃焼安定性が確保され燃料比率補正が解除可能となるまでの時間が異なる起動方法を実施する場合には、タイマの設定値を変更する必要がある。
【００４８】
これに対して、第２の実施例においては、湿分投入指令信号４１５と燃料流量指令信号４１４が論理積器に入力され、湿分投入指令信号４１５が入力されており、かつ該燃料流量指令信号４１４の値が所定の範囲内である間は、燃料比率補正信号４１５ａが出力され、燃料比率補正が行われる。その後、燃料流量指令信号４１４の値が所定の範囲以上となったとき、燃料比率補正信号４１５ａが出力されなくなる、すなわち燃料比率補正が行われなくなるように制御されている。
【００４９】
これにより、増湿開始後はＦ１の燃料比率を高くし、Ｆ１の燃焼ガス温度を増湿開始前と同等もしくは高くすることによって、燃焼器全体の燃焼安定性の確保が可能となる。また、各燃焼部における燃焼ガス温度が燃焼安定性を確保可能な温度でありかつ、ＮＯｘの発生が顕著となる温度（１６００℃付近）以下となる燃料流量にて、燃料比率補正を解除することが可能となる。以上のことから、燃焼安定性を確保すると共に、ＮＯｘの低減を図ることが可能となる。
【００５０】
また、本実施形態における燃焼器の代わりに、図９に示すような第１の実施例のＦ２−Ｆ４燃料ノズルと空気孔を円状に複数配列した構成の燃焼器を用いても同様の効果が得られる。
【００５１】
（３）第３の実施形態
図１０〜図１２は本発明の第３の実施例について説明した図であり、図１０は第１の実施例における図１に対応し、図１１は第１の実施例における図３，図１２は第１の実施例における図６及び第２の実施例における図８にそれぞれ対応するものである。
【００５２】
図１０において第１の実施例と異なる主な点は、増湿器４がボイラ５０に置き換わったことにある。また、燃焼器が同軸噴流燃焼器から予混合燃焼器に置き換わっている。第１の実施例における増湿器４では、水流量３０１は、増湿器４中で蒸発し高湿分空気１０４に添加される水分量よりも多く、蒸発量は空気および水の温度・圧力と増湿器４の持つ蒸発面積で決まる。これに対し、第３の実施例においては、ボイラ５０から供給される高温・高圧蒸気１１０の流量を蒸気流量調節弁３１２でコントロールできるため、圧縮空気と蒸気を混合する混合器５１から排出される混合器通過後高温高湿空気１１１の流量および湿分を細かく調整できる利点がある。このとき、ボイラ５０として、ガスタービンとは独立した機器として別個に設置したボイラを用いれば、増湿系統に関わる機器及び高圧空気配管が不要となるため、プラント全体としてのシステム構成を簡素化できる。それに対して、通常のコジェネレーションやコンバインドサイクルで用いられるようなガスタービンの排熱回収ボイラを用いれば、プラント全体の熱効率を高めることができる。
【００５３】
次に、図１１は第３の実施例の燃焼器を燃焼器下流側から見た図である。Ｆ１ｃから
Ｆ４ｃまでの全燃焼部が予混合燃焼であり、Ｆ１ｃの燃焼部にのみ旋回羽根（旋回器）
３８が設置されており、これによって生じる燃焼ガスの循環流により、Ｆ２ｃからＦ４ｃまでの火炎の保炎を行う。本実施例の燃焼器は第１，第２の実施例中に示した燃焼器に比べて、燃料−空気の混合に対して十分な距離を確保することができるため、ＮＯｘの低減を図ることが可能となるという特徴がある。一方、第１，第２の実施例のように再生サイクルによって燃焼空気が高温となり、予混合部３７での燃焼自発火の可能性が生じる場合には、自発火防止に配慮が必要となる。
【００５４】
本実施例の燃焼器の運用方法については第１の実施例と同様に、点火・昇速段階はF1cのみに燃料を投入し、その後負荷上昇に伴い、Ｆ２ｃ，Ｆ３ｃ，Ｆ４ｃに順に燃料を投入していく。また、湿分投入開始時期に関しても第１の実施例と同様に、Ｆ３ｃまで着火した状態にて湿分投入を行う。
【００５５】
図１２は第３の実施例における高湿分利用ガスタービンの燃料流量制御の一例を示したものである。図示を省略している部分は、図６と同じである。図１２において図８に示した第２の実施例と異なる点は、燃料比率補正信号４１５ａの出力時期が負荷信号４１２ａと蒸気流量調節弁開検知信号４２５に依存している点である。
【００５６】
第３の実施例においては、湿分投入指令信号４１５，蒸気流量調節弁開検知信号４２５，負荷信号４１２ａが論理積器に入力され、湿分投入指令信号４１５，蒸気流量調節弁開検知信号４２５が出力されており、かつ負荷信号が所定の値以下である場合に燃料比率補正信号４１５ａが出力される、すなわち燃料比率補正が行われる。一方、負荷信号が所定の値以上になった場合は、燃料比率補正信号４１５ａが出力されなくなる、すなわち燃料比率補正が解除されるように制御されている。蒸気流量調節弁開検知信号４２５を燃料比率補正開始の条件として用いることにより、圧縮空気への湿分投入開始を検知する確実性が高まるという利点がある。ここでは、蒸気流量の信号として調節弁開検知信号４２５を例に説明したが、調整弁の開度や蒸気流量計の信号を利用すれば、さらに精度の高い燃料制御が可能になる。
【００５７】
また、本実施例においては、燃料比率補正の開始及び解除時期を規定するために負荷信号を用いたが、負荷（ガスタービン出力）と燃料流量はほぼ一次関数の関係にあることから、負荷信号によっても、燃料流量を用いた場合と同等の信頼性を確保することができる。
【００５８】
これにより、増湿開始後はＦ１の燃料比率を高くし、Ｆ１の燃焼ガス温度を増湿開始前と同等もしくは高くすることにより、燃焼器全体の燃焼安定性の確保が可能となる。また、各燃焼部における燃焼ガス温度が燃焼安定性を確保可能な温度でありかつ、ＮＯｘの発生が顕著となる温度（１６００℃付近）以下となる負荷にて、燃料比率補正を解除することが可能となる。以上のことから、燃焼安定性を確保すると共に、ＮＯｘの低減を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る高湿分空気利用ガスタービンシステムの構成を表すシステムフロー図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る低ＮＯｘ燃焼器燃料ノズルの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る低ＮＯｘ燃焼器燃料ノズルの詳細を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る高湿分空気利用ガスタービンシステムの運転方法の一例を表す図である。
【図５】本発明実施しない場合の問題点を説明するための運転方法を表す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る高湿分空気利用ガスタービンシステムの制御システムの一例を表す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る高湿分空気利用ガスタービンシステムの燃焼器の一例を表す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る高湿分空気利用ガスタービンシステムの制御システムの一例を表す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る高湿分空気利用ガスタービンシステムの燃焼器の一例を表す図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係る高湿分空気利用ガスタービンシステムの構成を表すシステムフロー図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る高湿分空気利用ガスタービンシステムの燃焼器の一例を表す図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係る高湿分空気利用ガスタービンシステムの制御システムの一例を表す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  圧縮機
２  燃焼器
３  タービン
４  増湿器
５  再生器
６  本体ケーシング
７  燃焼器ケーシング
８  燃焼器カバー
９  燃料ノズル
１０  燃焼器ライナ
１１  フロースリーブ
１２  燃焼器尾筒内筒
１３  尾筒外筒
１４  尾筒外筒に設けた再生器への抽気流路
１５  抽気配管
１６  隔壁部材
１７  圧縮機吸気ケーシング
２０  発電機
２１  シャフト
２２  給水加熱器
２３  排ガス再過熱器
２４  水回収装置
２５  排気塔
２６  水処理装置
２７  吸気噴霧装置
３０  燃料ヘッダ
３１  燃料ノズル
３２  空気孔
３３  空気孔プレート
３４  サポート
３５  燃料噴流
３６  空気噴流
３７  予混合部
３８  旋回羽根
４１  Ｆ１燃料フランジ
４２  Ｆ２燃料フランジ
４４  Ｆ４燃料フランジ
５０  ボイラ
５１  圧縮空気と蒸気を混合する混合器
１００  ガスタービン吸い込み空気（大気圧）
１０１  水噴霧後の吸い込み空気（大気圧）
１０２  圧縮空気
１０３  尾筒冷却後抽気空気
１０４  再生器前低温高湿空気
１０５  再生器通過後高温高湿空気
１０６  高温燃焼ガス
１０７  ガスタービン排ガス（タービン出口低圧燃焼ガス）
１０８  給水加熱器出口排ガス
１０９  排気筒排ガス
１１０  ボイラ吐出蒸気
１１１  混合器通過後高温高湿空気
２００  燃料
２０１  Ｆ１燃料
２０２  Ｆ２燃料
２０３  Ｆ３燃料
２０４  Ｆ４燃料
２１０  燃料遮断弁
２１１  Ｆ１燃料流量調節弁
２１２  Ｆ２燃料流量調節弁
２１３  Ｆ３燃料流量調節弁
２１４  Ｆ４燃料流量調節弁
３００  圧縮機吸気噴霧水
３０１  増湿装置給水
３１０  圧縮機吸気噴霧水量制御弁
３１１  増湿装置給水量制御弁
３１２  蒸気流量調節弁
４０１  ガスタービン制御装置
４０２  燃料流量制御装置
４０３  燃料比率制御コントローラ
４０４  燃料比率補正コントローラ
４０５  燃料流量制御コントローラ
４０６  タイマ
４０７  加算器
４０８−４１０  減算器
４１１  タービン速度指令信号
４１１ａ  タービン速度信号
４１２  負荷指令信号
４１２ａ  負荷信号
４１３  湿分投入指令
４１４  燃料流量指令信号
４１５  湿分投入指令信号
４１５ａ  燃料比率補正信号
４１６  Ｆ１燃料比率信号
４１７  Ｆ２燃料比率信号
４１８  Ｆ３燃料比率信号
４１９  Ｆ４燃料比率信号
４１６ａ  Ｆ１補正燃料比率信号
４１７ａ  Ｆ２補正燃料比率信号
４１８ａ  Ｆ３補正燃料比率信号
４１９ａ  Ｆ４補正燃料比率信号
４２０  Ｆ１燃料流量調節弁開度指令
４２１  Ｆ２燃料流量調節弁開度指令
４２２  Ｆ３燃料流量調節弁開度指令
４２３  Ｆ４燃料流量調節弁開度指令
４２４  論理積器
４２５  蒸気流量調節弁開検知信号
【図１】
2008175098.tif 000003
【図２】
2008175098.tif 000004
【図３】
2008175098.tif 000005
【図４】
2008175098.tif 000006
【図５】
2008175098.tif 000007
【図６】
2008175098.tif 000008
【図７】
2008175098.tif 000009
【図８】
2008175098.tif 000010
【図９】
2008175098.tif 000011
【図１０】
2008175098.tif 000012
【図１１】
2008175098.tif 000013
【図１２】
2008175098.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成19年1月24日(2007.1.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
また、該燃料比率補正信号４１５ａについては、ガスタービン制御装置４０１に湿分投入指令４１３が入力された際に、湿分投入指令信号４１５が該ガスタービン制御装置401より出力され、タイマ４０６に入力される。該タイマ４０６内では、湿分投入指令信号
４１５の入力開始から所定の時間のみ燃料比率補正信号４１５ａが出力され、所定の時間経過後は該燃料比率補正信号４１５ａが出力されなくなる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１２】
2008175098.tif 000015