(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、圧縮機で圧縮されて前記ガスタービン燃焼器に供給される圧縮空気を加湿する増湿器と、増湿器に供給する水を前記タービンから排気した排ガスで加熱する再生熱交換器を備えた高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器であって、
前記ガスタービン燃焼器は、燃料を供給する複数の燃料ノズルと燃焼用空気を供給する複数の空気流路とで構成する燃焼部を複数設置し、前記複数設置された燃焼部のうち一部の燃焼部に他の燃焼部よりも保炎性に優れた燃焼部を形成しているガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、
前記保炎性に優れた燃焼部に燃料を供給する燃料比率の設定を、前記増湿器の内部温度と増湿器の内圧から推算した圧縮空気の空気湿度をもとに設定して、前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に供給する燃料の流量割合を制御することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法。
【請求項２】
圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、圧縮機で圧縮されて前記ガスタービン燃焼器に供給される圧縮空気を加湿する増湿器と、増湿器に供給する水を前記タービンから排気した排ガスで加熱する再生熱交換器を備えた高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器であって、
前記ガスタービン燃焼器は、燃料を供給する複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルと同軸となるように空気孔プレートに形成された燃焼用空気を供給する複数の空気孔とで構成する燃焼部を複数設置し、前記複数設置された燃焼部のうち、空気孔プレートの内周側に位置する燃焼部に空気孔プレートの外周側に位置する他の燃焼部よりも保炎性に優れた燃焼部を形成しているガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、
前記保炎性に優れた燃焼部に燃料を供給する燃料比率の設定を、前記増湿器の内部温度と増湿器の内圧から推算した圧縮空気の空気湿度をもとに設定して、前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に供給する燃料の流量割合を制御することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、
前記増湿器に供給する供給水の水温、前記増湿器の余剰水を増湿器に再供給させる循環系の水温、及び前記増湿器に流入する空気の温度から前記増湿器内部の空気温度を推定し、
推定した前記増湿器内部の空気温度と前記増湿器の内圧から燃焼用空気の湿度を推算し、
推算した燃焼用空気の湿度に基づいてガスタービン燃焼器に設置した保炎性に優れた前記燃焼部に供給する燃料比率を制御することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法。
【請求項４】
圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、圧縮機で圧縮されて前記ガスタービン燃焼器に供給される燃焼用空気を加湿する増湿器と、増湿器に供給する水を前記タービンから排気した排ガスで加熱する再生熱交換器を備えた高湿分空気利用ガスタービンであって、
前記ガスタービン燃焼器は、燃料を供給する複数の燃料ノズルと燃焼用空気を供給する複数の空気流路とで構成する燃焼部を複数設置し、前記複数設置された燃焼部のうち一部の燃焼部に他の燃焼部よりも保炎性に優れた燃焼部を形成しているガスタービン燃焼器の燃料制御装置において、
前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に燃料を供給する燃料制御装置は、
増湿器の内部空気温度と増湿器の内圧から推算した燃焼用空気湿度をもとに前記保炎性に優れたガスタービン燃焼器の燃焼部に供給する燃料比率のバイアス量を演算するバイアス演算器と、
前記バイアス演算器の出力に基づいて前記保炎性に優れた燃焼部に供給する燃料比率を算出する燃料流量比率設定器を備えて、前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に供給する燃料の流量割合を制御することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御装置。
【請求項５】
圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、圧縮機で圧縮されて前記ガスタービン燃焼器に供給される燃焼用空気を加湿する増湿器と、増湿器に供給する水を前記タービンから排気した排ガスで加熱する再生熱交換器を備えた高湿分空気利用ガスタービンであって、
前記ガスタービン燃焼器は、燃料を供給する複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルと同軸となるように空気孔プレートに形成された燃焼用空気を供給する複数の空気孔とで構成する燃焼部を複数設置し、前記複数設置された燃焼部のうち、空気孔プレートの内周側に位置する燃焼部に空気孔プレートの外周側に位置する他の燃焼部よりも保炎性に優れた燃焼部を形成しているガスタービン燃焼器の燃料制御装置において、
前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に燃料を供給する燃料制御装置は、
増湿器の内部空気温度と増湿器の内圧から推算した燃焼用空気湿度をもとに前記保炎性に優れたガスタービン燃焼器の燃焼部に供給する燃料比率のバイアス量を演算するバイアス演算器と、
前記バイアス演算器の出力に基づいて前記保炎性に優れた燃焼部に供給する燃料比率を算出する燃料流量比率設定器を備えて、前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に供給する燃料の流量割合を制御することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御装置。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御装置において、
前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に燃料を供給する燃料制御装置は、
前記バイアス演算器として前記増湿器に供給する供給水の水温、前記増湿器の余剰水を増湿器に再供給させる循環系の水温及び前記増湿器に流入する空気の温度から前記増湿器内部の空気温度を推定し、推定した増湿器内部の空気温度と増湿器の内圧から燃焼用空気の湿度を推算し、推算した燃焼用空気の湿度に基づいてガスタービン燃焼器に設置した前記保炎性に優れた燃焼部に供給する燃料比率のバイアス量を演算するように構成したことを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高湿分空気利用ガスタービンに搭載する低ＮＯｘガスタービン燃焼器を安定に運用する高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
公知例の特開２００８−１７５０９８号公報には、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高湿分空気利用ガスタービン発電プラントにおいて、水分添加開始の前後に燃焼器の低ＮＯｘ性能を確保しつつ火炎の安定性を維持可能にする燃料制御に関する技術が開示されている。
【０００３】
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も、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。
【０００４】
一方、ガスタービン燃焼器で発生する窒素酸化物（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が大部分である。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。
【０００５】
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、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には、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化を図る必要があり、そのためには、前記特開２００８−１７５０９８号公報に開示されているように、燃料と空気を多数の小径の同軸噴流としてガスタービン燃焼室に噴出して燃焼させる技術が有効である。
【０００６】
このような低ＮＯｘ化を図るガスタービン燃焼器では、低ＮＯｘ性能と火炎の安定性を両立させるために燃料流量と空気流量の比である燃空比を所定の範囲に調節することが肝要である。
【０００７】
公知例の特開平０７−１８９７４３号公報には、一般のガスタービンに使用される低ＮＯｘガスタービン燃焼器として、ガスタービンの運用にともなう圧縮機入口案内弁の開度変化、大気温度変化、大気圧力変化に起因する空気流量の変化や、燃料温度および燃料発熱量変化に起因する燃料流量の変化に基づいて、ガスタービン燃焼器に供給する燃料流量と空気流量の比を調整する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１７５０９８号公報
【特許文献２】特開平０７−１８９７４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
高湿分空気利用ガスタービンプラントで水分添加が開始されると、ガスタービン燃焼器で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て火炎温度が低下して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の流量が増加するため、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てＮＯｘ発生量は減少する。
【００１０】
さらにガスタービン燃焼器で燃焼する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。
【００１１】
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発生量は減少するが、逆に火炎の安定性は悪くなる。
【００１２】
そこで、あらかじめ水分添加を考慮してガスタービン燃焼器に供給する空気配分を設定しておけば、高湿分条件で火炎の吹き消えが生じないようにガスタービン燃焼器の頭部の予混合部または同軸噴流部に供給する空気流量を適切に設定することができる。
【００１３】
しかしながら、このようにガスタービン燃焼器に供給する空気配分が設定されたガスタービン燃焼器では、水分添加開始前には上記とは逆に火炎温度が高くなるため、火炎の安定性は確保されるもののＮＯｘ発生量は増加する傾向がある。
【００１４】
すなわち、高湿分空気利用ガスタービンにおいては、水分添加開始前後で、ガスタービン燃焼器の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。また、水分添加開始後に弁制御やその系の体積等によって、ガスタービン増負荷時には、燃焼用空気に実際に水分が添加されるまでに遅れが生じると考えられる。
【００１５】
またガスタービン降負荷時には、同様の理由によって燃焼用空気の湿度が低下するまでに遅れが生じると考えられる。このような条件変化に対してもガスタービン燃焼器を低ＮＯｘで安定に燃焼する制御手段が求められる。
【００１６】
そこで、前記特開２００８−１７５０９８号公報に開示されたように、個別に燃料が供給される複数の燃焼部を備えたガスタービン燃焼器の一部の燃焼部を他の燃焼部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、増湿開始後の所定の間、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を制御することによって、加湿後の燃焼安定性を確保することができる。
【００１７】
このような湿度の変化に対して、前記特開平０７−１８９７４３号公報に開示されているような制御装置の技術を適用して燃焼の安定性を確保する場合は、圧縮空気中の湿分を計測し、その値をもとに燃料流量割合を制御することが考えられる。
【００１８】
しかしながら、増湿器出口の空気は飽和条件でかつ１００℃前後の高温であり、増湿器出口に湿度センサーを設置した場合、この湿度センサーによる湿度計測は誤差が大きくなる可能性がある。また、再生器出口の空気は飽和条件ではないものの４５０℃〜６５０℃と高温であり、湿度センサーを設置した場合、再生器出口の湿度センサーには高い耐熱性が要求されるという課題がある。
【００１９】
そこで、高湿分空気利用ガスタービンプラントにおいては、水分添加開始後に燃焼器のＮＯｘ生成および燃焼安定性に対して大きな条件変化が生じる燃焼空気湿度の変化に対して、低ＮＯｘと燃焼安定性を両立するガスタービン燃焼器の制御手段が求められる。
【００２０】
本発明の目的は、高湿分空気利用ガスタービンの増湿器への水分添加の開始後でガスタービン燃焼器のＮＯｘ生成および火炎安定性に対する過渡的な条件変化が生じた場合に、ガスタービン燃焼器を低ＮＯｘで安定して燃焼させることを可能にした高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法は、圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、圧縮機で圧縮されて前記ガスタービン燃焼器に供給される圧縮空気を加湿する増湿器と、増湿器に供給する水を前記タービンから排気した排ガスで加熱する再生熱交換器を備えた高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器であって、前記ガスタービン燃焼器は、燃料を供給する複数の燃料ノズルと燃焼用空気を供給する複数の空気流路とで構成する燃焼部を複数設置し、前記複数設置された燃焼部のうち一部の燃焼部に他の燃焼部よりも保炎性に優れた燃焼部を形成しているガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、前記保炎性に優れた燃焼部に燃料を供給する燃料比率の設定を、前記増湿器の内部温度と増湿器の内圧から推算した圧縮空気の空気湿度をもとに設定して、前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に供給する燃料の流量割合を制御することを制御することを特徴とする。
また本発明の高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法は、圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、圧縮機で圧縮されて前記ガスタービン燃焼器に供給される圧縮空気を加湿する増湿器と、増湿器に供給する水を前記タービンから排気した排ガスで加熱する再生熱交換器を備えた高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器であって、前記ガスタービン燃焼器は、燃料を供給する複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルと同軸となるように空気孔プレートに形成された燃焼用空気を供給する複数の空気孔とで構成する燃焼部を複数設置し、前記複数設置された燃焼部のうち、空気孔プレートの内周側に位置する燃焼部に空気孔プレートの外周側に位置する他の燃焼部よりも保炎性に優れた燃焼部を形成しているガスタービン燃焼器の燃料制御方法において、前記保炎性に優れた燃焼部に燃料を供給する燃料比率の設定を、前記増湿器の内部温度と増湿器の内圧から推算した圧縮空気の空気湿度をもとに設定して、前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に供給する燃料の流量割合を制御することを制御することを特徴とする。
【００２２】
本発明の高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御装置は、圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、圧縮機で圧縮されて前記ガスタービン燃焼器に供給される燃焼用空気を加湿する増湿器と、増湿器に供給する水を前記タービンから排気した排ガスで加熱する再生熱交換器を備えた高湿分空気利用ガスタービンであって、前記ガスタービン燃焼器は、燃料を供給する複数の燃料ノズルと燃焼用空気を供給する複数の空気流路とで構成する燃焼部を複数設置し、前記複数設置された燃焼部のうち一部の燃焼部に他の燃焼部よりも保炎性に優れた燃焼部を形成しているガスタービン燃焼器の燃料制御装置において、前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に燃料を供給する燃料制御装置は、
増湿器の内部空気温度と増湿器の内圧から推算した燃焼用空気湿度をもとに前記保炎性に優れたガスタービン燃焼器の燃焼部に供給する燃料比率のバイアス量を演算するバイアス演算器と、前記バイアス演算器の出力に基づいて前記保炎性に優れた燃焼部に供給する燃料比率を算出する燃料流量比率設定器を備えて、前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に供給する燃料の流量割合を制御することを特徴とする。
【００２３】
また本発明の高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御装置は、圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、圧縮機で圧縮されて前記ガスタービン燃焼器に供給される燃焼用空気を加湿する増湿器と、増湿器に供給する水を前記タービンから排気した排ガスで加熱する再生熱交換器を備えた高湿分空気利用ガスタービンであって、前記ガスタービン燃焼器は、燃料を供給する複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルと同軸となるように空気孔プレートに形成された燃焼用空気を供給する複数の空気孔とで構成する燃焼部を複数設置し、前記複数設置された燃焼部のうち、空気孔プレートの内周側に位置する燃焼部に空気孔プレートの外周側に位置する他の燃焼部よりも保炎性に優れた燃焼部を形成しているガスタービン燃焼器の燃料制御装置において、前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に燃料を供給する燃料制御装置は、増湿器の内部空気温度と増湿器の内圧から推算した燃焼用空気湿度をもとに前記保炎性に優れたガスタービン燃焼器の燃焼部に供給する燃料比率のバイアス量を演算するバイアス演算器と、
前記バイアス演算器の出力に基づいて前記保炎性に優れた燃焼部に供給する燃料比率を算出する燃料流量比率設定器を備えて、前記ガスタービン燃焼器の複数の燃焼部に供給する燃料の流量割合を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、高湿分空気利用ガスタービンの増湿器への水分添加の開始後でガスタービン燃焼器のＮＯｘ生成および火炎安定性に対する過渡的な条件変化が生じた場合に、ガスタービン燃焼器を低ＮＯｘで安定して燃焼させることを可能にした高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【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高湿分空気利用ガスタービンの概略構成を示す系統図。
【図２】本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器に設置した燃料ノズルの構成を示す部分構造図。
【図３】図２示した第１実施例のガスタービン燃焼器に設置した燃焼部を構成する空気孔プレートを示す正面図。
【図４】本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器を備えた高湿分空気利用ガスタービンの運転方法の一例を表す特性図。
【図５】本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器を備えた高湿分空気利用ガスタービンの運転方法の他の一例を表す特性図。
【図６】本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器による燃料制御装置の構成を示す制御ブロック図。
【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高湿分空気利用ガスタービンの概略構成を示す系統図。
【図８】本発明の第２実施例のガスタービン燃焼器を備えた高湿分空気利用ガスタービンの運転方法の一例を表す特性図。
【図９】本発明の第２実施例のガスタービン燃焼器による燃料制御装置の構成を示す制御ブロック図。
【図１０】本発明の第３実施例であるガスタービン燃焼器を備えた高湿分空気利用ガスタービンの概略構成を示す系統図。
【図１１】本発明の第３実施例のガスタービン燃焼器を備えた高湿分空気利用ガスタービンの運転方法の一例を表す特性図。
【図１２】本発明の第３実施例のガスタービン燃焼器を備えた高湿分空気利用ガスタービンの運転方法の他の一例を表す特性図。
【図１３】本発明の第３実施例のガスタービン燃焼器による燃料制御装置の構成を示す制御ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
高湿分空気利用ガスタービンに設置される本発明の実施例であるガスタービン燃焼器の燃料制御方法及び燃料制御装置について図面を引用して以下に説明する。
【実施例１】
【００２７】
高湿分空気利用ガスタービンに設置される本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器の燃料制御方法及び燃料制御装置について図１乃至図６を用いて説明する。
【００２８】
図１は本発明の第１の実施例であるガスタービン燃焼器が設置される高湿分空気利用ガスタービンの全体構成を表す系統図である。
【００２９】
図１において、発電用の高湿分空気利用ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器２と、ガスタービン燃焼器２で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービン３と、圧縮機１で圧縮されて前記ガスタービン燃焼器２に供給される圧縮空気を加湿する増湿器４と、増湿器４に供給する水を前記タービン３から排気した排ガスで加熱する再生熱交換器５とから構成され、タービン３の出力により発電機２０を回転させ電力を得ている。
【００３０】
ガスタービン燃焼器２は、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。このガスタービン燃焼器２の頭部には燃料ノズル９が設置されており、燃料ノズル９の下流側には、燃焼用空気と燃焼ガスを隔てる概略円筒状の燃焼器ライナ１０が接地されている。
【００３１】
また、高湿分空気利用ガスタービンには、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が備えられている。前記吸気噴霧装置２７に供給される水３００は水質浄化装置２６で水処理されて噴霧水量制御弁３１０で流量を調整された水３００である。
【００３２】
そして吸気噴霧装置２７によって水３００を水噴霧した後の吸い込み空気１０１（大気圧）を圧縮機１で圧縮した高圧空気１０２は、トランジションピース１２とトランジションピースフロースリーブ１３との間隙を流れてトランジションピース１２を対流冷却し、抽気空気１０３となる。
【００３３】
抽気空気１０３は、空気冷却器２８によって１００℃近くまで冷却されて増湿器流入空気１１０となって、増湿器４に供給される。
【００３４】
増湿器流入空気１１０は、増湿器４において水分を添加されて加湿空気１０４となる。空気の加湿方法として、濡壁塔或いは増湿塔による加湿が知られている。
【００３５】
増湿器４の上部には、高湿分空気利用ガスタービンの健全性を監視するために、増湿器内部温度５００を計測する温度計と増湿器内圧６００を計測する圧力計がそれぞれ設置される。
【００３６】
増湿器４で水分を添加された加湿空気１０４は再生熱交換器５に導かれ、この再生熱交換器５でタービン３から排出された排気ガス１０７との熱交換により加熱されて高温空気１０５となりガスタービン燃焼器２の燃焼器ケーシング７へと注入される。
【００３７】
ガスタービン燃焼器２における燃焼器ケーシング７内を流れる空気は、燃焼器ライナ１０の外側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。
【００３８】
また、高温空気１０５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１０内へ流入し、フィルム冷却に使用される。残りの高温空気１０５（図中Ａ部詳細の３６）は、後述する空気孔３２から燃焼器ライナ１０内に流入し、燃料ノズル３１から噴出される燃料とともに燃焼に使用され、高温の燃焼ガス１０６を生成してタービン３へと送られる。
【００３９】
タービン３で仕事をしてタービン３から排出された低圧の排気ガス１０７は、再生器５で排気ガス１０７の保有する熱エネルギーを熱回収した後に、該再生器５の下流側に位置する水回収装置２４を経て、低温の排気ガス１０９として排気塔２５から大気中に排気される。
【００４０】
また、前記排気ガス１０８中の水分は再生器５の下流側の水回収装置２４によって回収する。本図では、水回収の方式として煙道に水を噴霧して排気ガス１０８中の水分を凝集、落下させて回収する方式を採用している。
【００４１】
高温の燃焼ガス１０６によって駆動される前記タービン３で得られた駆動力は、シャフト２１を通じてタービン３と連結された圧縮機１及び発電機２０に伝えられる。駆動力の一部は圧縮機１を回転させて吸い込み空気の加圧に用いられる。また、発電機２０ではこの駆動力を電力に変換する。
【００４２】
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器４への加湿水として再利用される。
【００４３】
発電用の高湿分空気利用ガスタービンの出力である発電機２０の発電量ＭＷは、ガスタービン燃焼器２に供給する燃料流量を調節する燃料流量調整弁２１１〜２１４の開閉によって制御される。一方、ガスタービン燃焼器２に供給する空気への加湿量は増湿器４への加湿水量を調節する増湿器給水弁３１２の開閉によって制御される。
【００４４】
図２及び図３は本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器２に設置した燃焼部を構成する燃料ノズル９の構造を示した部分断面図と、空気孔プレート３３を示した正面図である。
【００４５】
本実施例のガスタービン燃焼器２においては、図２及び図３に示したように燃焼器カバー８の燃料ノズルヘッダ３０に環状に配置された多数の燃料ノズル３１が取り付けられており、前記各燃料ノズル３１の１本１本に対応した空気流路を形成する環状に配置された多数の空気孔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。
【００４６】
前記複数の燃料ノズル３１と、該燃料ノズル３１と対応してそれぞれ設置された複数の空気孔３２とは円環状のほぼ同心状を成すように配設されており、図２のＡ部詳細に示したように、空気孔プレート３３に形成した空気孔３２の中央に燃料噴流３５と、この燃料噴流３５の周囲に空気孔３２に流入する空気噴流３６との同軸噴流を形成するように構成されている。
【００４７】
前記した同軸噴流構造によって、空気孔３２内では燃料−空気は未混合であるため、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ガスタービン燃焼器２を得ることができる。
【００４８】
また、このよう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て混合が促進するため、ガスタービン燃焼器２で生じるＮＯｘの発生量を抑制することができる。
【００４９】
図３は本実施例のガスタービン燃焼器２を構成する空気孔プレート３３を燃焼器下流側から見た正面図である。本実施例のガスタービン燃焼器２において、多数の空気孔３２（および、図示されていないが空気孔３２と対を成す燃料ノズル３１）は空気孔プレート３３の半径方向内周側から半径方向外周側にかけて環状の空気孔列が同心状に８列配置されている。
【００５０】
前記ガスタービン燃焼器２の燃焼部を形成するバーナは、中心側の４列（第１列〜第４列）が第１群（Ｆ１）の燃焼部を形成するＦ１バーナ、第５列が第２群（Ｆ２）の燃焼部を形成するＦ２バーナ、その外側の２列（第６、７列）が第３群（Ｆ３）の燃焼部を形成するＦ３バーナ、最外周（第８列）が第４群（Ｆ４）の燃焼部を形成するＦ４バーナとそれぞれ群分けされており、図２に示した様に、Ｆ１バーナ〜Ｆ４バーナのそれぞれの群ごとにヘッダ３０に設けたフランジ（４１〜４４）を通じて燃料が燃料ノズル３１から供給できる様に燃料系統が群分けして配設されている。
【００５１】
このような燃料系統の群分け構造を採用することにより、ガスタービン燃焼器２に供給する燃料流量変化に対して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におけるガスタービン燃焼器２の燃焼安定性が高まるとともに低ＮＯｘ化が可能となる。
【００５２】
さらに中央の４列（Ｆ１）の燃焼部を形成するＦ１バーナを構成する空気孔プレート３３の空気孔３２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）を持った斜め穴に形成することで、この空気孔３２を流下する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。
【００５３】
Ｆ１バーナの外周側に配設したＦ２バーナ〜Ｆ４バーナは、中央のＦ１バーナの燃焼熱によって火炎が安定化される。したがって、高湿分ガスタービンにおいて加湿が開始され、燃焼用空気の湿分が増加する際には、ガスタービン燃焼器２のＦ１バーナに供給する燃料流量を増加させ、局所的に高温な部分を設けることで、Ｆ１火炎の燃焼安定性が向上する。
【００５４】
Ｆ１燃料の増加分、Ｆ２バーナ以降のバーナの燃料流量は減少するが、これらの火炎はＦ１バーナの燃焼熱によって火炎が安定化されているため、バーナ全体として、燃焼安定性が確保される。
【００５５】
本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御方法及び燃料制御装置を適用した高湿分空気利用ガスタービンの運転方法の一例について、図４、図５に示した特性図を参照しながら説明する。
【００５６】
図４の高湿分空気利用ガスタービンの運転方法の特性図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、空気流量、増湿器供給水量３０１、加湿空気１０４の湿度、増湿器内部温度５００をそれぞれ示したものである。
【００５７】
また、図５の高湿分空気利用ガスタービンの運転方法の横軸は図４と同じく起動開始からの時刻、縦軸は上から燃焼温度、全体の燃料流量、Ｆ１バーナ〜Ｆ４バーナに燃料を供給する各燃料系統の個別燃料流量（Ｆ１流量〜Ｆ４流量）を模式的に表したものである。
【００５８】
また、図４及び図５の特性図において、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、水分添加量変化期間ｂ２、水分添加量一定期間ｂ３に分かれている。
【００５９】
本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御装置によるガスタービン燃焼器２の運転方法においては、まず、制御装置４００からの指令によって燃料流量が比較的少ない着火および昇速時はガスタービン燃焼器２の軸心側に位置するＦ１バーナのみを燃焼させて運転（すなわち図２の燃料系統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バーナの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。
【００６０】
次にそれ以降の負荷上昇過程（期間ｂ）では、ガスタービン燃焼器２のＦ１バーナの外周側に設置したＦ２バーナに燃料を投入して、Ｆ１＋Ｆ２で運転する。すなわち、燃料系統２０１及び２０２に燃料を供給し、制御装置４００からの指令によってこれらの燃料系統２０１及び２０２にそれぞれ設置された流量制御弁２１１及び２１２の開度を調節すること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。
【００６１】
次に、さらにガスタービン燃焼器２のＦ２バーナの外周側に設置したＦ３バーナに燃料を投入する燃料系統２０３に燃料を供給し、Ｆ３バーナに着火した状態を３／４モードと呼ぶ。ここまでの過程では高湿分空気利用ガスタービンの増湿器４には水分が添加されていない（ｂ１）。すなわち図１に示した高湿分空気利用ガスタービンの増湿器４に供給する水の流量を調節する増湿器給水弁３１１は全閉であり、増湿器バイパス弁３１２の開度によって再生熱交換器５の下流側に設置された給水過熱器１２を流れる水量が制御されている。
【００６２】
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、流量制御弁２１１、２１２及び２１３の開度を調節することによってＦ１バーナ、Ｆ２バーナ、Ｆ３バーナに供給する燃料流量が制御される。また、Ｆ１バーナ、Ｆ２バーナ、Ｆ３バーナに供給する各燃料系統２０１乃至２０３の燃料流量配分は、ガスタービン燃焼器２の燃焼が安定しかつ生成するＮＯｘが最小となる様に定められた比率で供給される。
【００６３】
本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御方法及び燃料制御装置においては、この３／４モードで、高湿分空気利用ガスタービンの増湿器４への水分添加を開始する。加湿開始指令により空気冷却器側増湿器給水弁３１２が開き、開度に応じた流量の給水が増湿器４へと注水される（期間ｂ２）。同時に、空気冷却器側増湿器バイパス弁３１３は、空気冷却器２８を流れる水量が所定の値となるよう制御されながら、開度を減少し最終的には全閉状態となる。
【００６４】
その後は空気冷却器側増湿器給水弁３１２の開度を制御することで、空気冷却器２８を流れる水量が所定の値となるよう調整される（期間ｂ２〜ｂ３）。
【００６５】
このとき、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、燃料流量が制御される。そのうち、Ｆ１燃料は、燃焼安定性の確保に主要な役割を担うため、加湿開始前に対して加湿開始後には、全燃料流量に対するＦ１流量の比率が大きくなるように設定される必要がある。
【００６６】
燃焼安定性の確保に最適なＦ１流量の比率の決定には、Ｆ１燃焼温度による判断が有効である。燃焼温度は、燃焼空気温度、燃焼空気湿度、燃料流量と空気流量の比（燃空比）から計算できる。
【００６７】
発明者らの高湿分空気利用ガスタービンのパイロットプラントによる実験結果から、加湿空気１０４は飽和状態であることが分かっている。そこで、本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御装置４００では、加湿空気１０４は増湿器内部空気温度５００において飽和状態であることから、加湿空気１０４の湿度を間接的に求める。増湿空気１０４の圧力が飽和水蒸気圧以上であれば、以下の式（１）から燃焼空気湿度が求められる。
【００６８】
Ｈｍ（ｖｏｌ％）  ＝  Ｐｓａｔ  ／  Ｐｔｏｔａｌ  ×  １００  ：（１）
ここで、Ｈｍ（ｖｏｌ％）：湿度、Ｐｔｏｔａｌ：増湿器内圧６００、Ｐｓａｔ：飽和水蒸気圧である。飽和水蒸気圧は蒸気表から求めることができる。
【００６９】
即ち、燃料制御装置４００を構成するＦ１バイアス演算器４０４に内包した飽和湿度演算器によって増湿器内部空気温度５００及び増湿器内圧６００の測定値に基づいて上記（１）式の演算式を用いて燃焼空気湿度を演算する。
【００７０】
前記Ｆ１バイアス演算器４０４では、演算した燃焼空気湿度から燃焼温度が計算できるので、計算で求めた燃焼温度と、ガスタービン燃焼器２の燃焼安定性の確保に必要なＦ１燃焼温度を比較することによって、燃焼安定性の確保に必要なＦ１バイアス流量であるＦ１バイアス４１５を求めることができる。
【００７１】
本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御装置４００におけるＦ１バイアス演算器４０４による燃焼空気湿度の算出方法は、増湿器４に増湿器給水量制御弁３１２によって供給される増湿器供給水量３０１が一定量である期間（図４の期間ｂ３）だけでなく、増湿器給水量制御弁が全閉状態から指定開度に開くまでの増湿器給水量３０１が変化する数十秒から数分の期間（図４の期間ｂ２）においても燃焼空気湿度の算出に有効である。
【００７２】
したがって、増湿器給水量３０１の変化による燃焼用空気の過渡的な湿度変化に対しても、Ｆ１バイアス演算器４０４による適切なＦ１バイアス４１５を演算することによってガスタービン燃焼器２の燃焼安定性が確保できる。
【００７３】
発電量またはタービン排ガス温度が所定の量に達した時点で、高湿分ガスタービンの起動が完了し、その後は、負荷の増減に合わせて燃料流量が増減することで負荷追従する（期間ｃ）。高負荷運転時においては、主としてガスタービン燃焼器２の最外周に設置されたＦ４バーナの燃料流量を増減させて対応する。
【００７４】
このときＦ４バーナに供給する燃料と空気の混合気は、Ｆ１〜Ｆ３バーナ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。
【００７５】
また燃焼完結後の温度をＮＯｘ生成が顕著となる温度以下になるよう空気配分が設定されているため、Ｆ４バーナからのＮＯｘ発生をほとんど零とする燃焼が可能となる。またＦ４バーナに投入した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。
【００７６】
本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料を制御する燃料制御装置４００の制御ブロックの一例を図６に示す。
【００７７】
図６に示すように、本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料を制御する燃料制御装置４００は、減算器４０１と、燃料流量制御器４０２と、燃料流量比率設定器４０３と、Ｆ１バイアス設定器４０４と、データベース４０５と、実燃料制御器４０７を備えている。
【００７８】
そして前記燃料制御装置４００では、予め定められた発電量増加率に従うように与えられた負荷指令ＭＷＤと実際の発電量ＭＷの差を減算器４０１で求め、この減算器４０１で求めた負荷指令ＭＷＤと実際の発電量ＭＷの差に基づいて燃料流量制御器４０２でガスタービン燃焼器２に供給する燃料流量指令値４１０を演算する。
【００７９】
燃料流量制御器４０２で演算した燃料流量指令値４１０に基づいて燃料流量比率設定器４０３でガスタービン燃焼器２に設置されたＦ１バーナ〜Ｆ４バーナに供給する燃料の各燃料流量比率（４１１〜４１４）をそれぞれ演算する。
【００８０】
一方、Ｆ１バイアス演算器４０４では、増湿器内部空気温度５００と増湿器内圧６００の計測値に基づいてＦ１バイアス演算器４０４に内包した飽和湿度演算器によって上記（１）式の演算式を用いて燃焼空気の飽和湿度を演算する。
【００８１】
次に前記Ｆ１バイアス演算器４０４では、計算で求めた燃焼空気の飽和湿度に対応した燃焼空気温度を演算し、演算したこの燃焼空気温度と、ガスタービン燃焼器２の燃焼安定性の確保に必要なＦ１燃焼温度を比較することによって、燃焼安定性の確保に必要なＦ１バイアス流量であるＦ１バイアス４１５を求めている。
【００８２】
データベース４０５は燃焼空気の飽和湿度を求めるために必要な蒸気表データと、燃焼空気温度、燃焼空気湿度、燃焼空気流量に対するＦ１の燃焼安定性を確保するために必要なＦ１燃料流量のデータの中から前記飽和湿度に対応した値をバイアス値としてＦ１バイアス演算器４０４に提供するように構成されている。
【００８３】
燃料流量比率設定器４０３では、燃料流量制御器４０２で演算した燃料流量指令値４１０を入力値として、Ｆ１バイアス４１５の値を参照しながらガスタービン燃焼器２に設置されたＦ１バーナ〜Ｆ４バーナに供給する燃料の各燃料流量比率（４１１〜４１４）をそれぞれ演算する。
【００８４】
実燃料制御器４０７では、Ｆ１バーナ〜Ｆ４バーナの各燃料流量比率（４１１〜４１４）および燃料流量指令値４１０で演算した燃料流量指令値４１０を入力し、Ｆ１〜Ｆ４各燃焼系統の流量または弁開度（２１１〜２１４）をそれぞれ演算して出力して、前記ガスタービン燃焼器２に設置されたＦ１バーナ〜Ｆ４バーナに供給する燃料の流量を調節する燃料流量制御弁２１１〜２１４の弁開度を制御するように構成している。
【００８５】
かくして、図６に示した本実施例であるガスタービン燃焼器２の燃料制御装置４００によって、図５の特性図中に実線で示した期間ｂ２におけるＦ１流量の増加が実現できる。ここで、期間ｂ２でＦ１流量の低下を示す点線は本実施例によるＦ１バイアス４１５を適用しない場合のＦ１流量であり、この場合、Ｆ１燃焼温度が低下してガスタービン燃焼器２の燃焼安定性が損なわれる状況に至ることになる。
【００８６】
これに対して本実施例であるガスタービン燃焼器２の燃料制御装置４００におけるＦ１バイアス演算器４０４で演算したＦ１バイアス４１５を燃料流量比率設定器４０３に入力してガスタービン燃焼器２に供給する燃料を制御することによって、図５に実線で示したように、期間ｂ２におけるＦ１流量を増加させると、Ｆ１燃焼温度を所定の温度に維持でき、この結果、ガスタービン燃焼器２の燃焼安定性を実現することが可能となる。
【００８７】
なお、前記Ｆ１バイアス演算器４０４の演算において、増湿器内部温度５００と増湿器内圧６００は加湿空気１０４の温度と圧力の計測値で代用しても、加湿空気１０４の飽和湿度を求めることができる。
【００８８】
また、増湿器バイパス弁３１２や配管等の系が保有する体積によって、水分添加開始後に実際に燃焼空気に水分が添加されるまでに時間遅れが生ずる場合が考えられる。その時は、前記Ｆ１バイアス演算器４０４の演算によって増湿器内部温度５００と増湿器内圧６００の計測値から求まる燃焼空気湿度に対して、一次遅れを考慮して実際の燃焼空気湿度を推算すれば、ガスタービン燃焼器２の低ＮＯｘ化と燃焼安定性の確保を両立できる。
【００８９】
ガスタービン降負荷時には、配管等の系が保有する体積によって燃焼空気湿度が増湿器４での増湿器供給水量３０１に追従するまでに遅れが生じると考えられるので一次遅れを考慮して実際の燃焼空気湿度を推算することは特に有効である。
【００９０】
本実施例によれば、高湿分空気利用ガスタービンの増湿器への水分添加の開始後でガスタービン燃焼器のＮＯｘ生成および火炎安定性に対する過渡的な条件変化が生じた場合に、ガスタービン燃焼器を低ＮＯｘで安定して燃焼させることを可能にした高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置が実現できる。
【実施例２】
【００９１】
高湿分空気利用ガスタービンに設置される本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器の燃料制御方法及び燃料制御装置について図７乃至図９を用いて説明する。
【００９２】
本実施例のガスタービン燃焼器の燃料制御装置は、先の第１実施例のガスタービン燃焼器の燃料制御装置と基本的な構成は共通しているので、両者に共通した説明は省略し、相違する部分のみ以下に説明する。
【００９３】
本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御装置４００におけるＦ１バイアス演算器４０４が第１実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御装置と異なる点は、増湿器内部温度５００の計測値に替えて増湿器供給水温度５０１、増湿器循環水温度５０２、増湿器流入空気温度５０３のいずれか１つの計測値によって、増湿空気１０４の飽和湿度を求めることである。
【００９４】
高湿分空気利用ガスタービンでは、プラントの健全性を確保するため、増湿器供給水温度５０１、増湿器循環水温度５０２、増湿器流入空気温度５０３の計測は必須項目であるため、各部の温度から加湿空気１０４の飽和湿度を求めるように構成したものである。
【００９５】
また、増湿器内部温度５００を計測する場合でも、そのバックアップとして、増湿器内部温度５００に替えて増湿器供給水温度５０１、増湿器循環水温度５０２、増湿器流入空気温度５０３のいずれか１つの計測値が利用できるという点でも利点がある。
【００９６】
図８は、本実施例のガスタービン燃焼器の燃料制御方法及び燃料制御装置を適用した高湿分空気利用ガスタービンの運転方法の一例を表す特性図であり、この図８の特性図においては、図４に示した先の第１実施例のガスタービン燃焼器の燃料制御方法及び燃料制御装置を適用した高湿分空気利用ガスタービンの運転方法の特性図に示した湿度と、増湿器内部温度５００（再掲）と、増湿器供給水温度５０１、増湿器循環水温度５０２、増湿器流入空気温度５０３をそれぞれ並べて比較した。
【００９７】
発明者らの高湿分空気利用ガスタービンのパイロットプラントを用いた実験によれば、第１実施例の図４と図５で示した高湿分空気利用ガスタービンの運転方法において、増湿器供給水温度５０１、増湿器循環水温度５０２、増湿器流入空気温度５０３は、増湿器内部温度５００と時間に対する温度変化が比例していた。
【００９８】
本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料を制御する燃料制御装置４００の制御ブロックの一例を図９に示す。
【００９９】
図９に示した本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料を制御する燃料制御装置４００の制御ブロックにおいては、データベース４０５に、増湿器供給水温度５０１、増湿器循環水温度５０２、増湿器入口空気温度５０３から増湿器内部温度５００´を推算する機能を加えた構成となっているが、他の構成は第１実施例の燃料制御装置４００の制御ブロックと同じである。
【０１００】
本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料を制御する燃料制御装置４００によれば、Ｆ１バイアス演算器４０４に内在する飽和湿度の演算器によって、増湿器内部温度５００、あるいはデータベース４０５における増湿器供給水温度５０１、増湿器循環水温度５０２、増湿器入口空気温度５０３のいずれか１つの値から推算される増湿塔内部空気温度５００´と、増湿器内圧６００とによって燃焼空気の飽和湿度が演算され、この燃焼空気の飽和湿度から演算された燃焼空気温度の計算結果から第１実施例の燃料制御装置４００と同様に、増湿器４に水分添加後もガスタービン燃焼器２の燃焼安定性を確保する図５の特性図中に実線で示した期間ｂ２におけるＦ１流量の増加が実現できる。
【０１０１】
また、増湿器４に供給する増湿器給水量３０１の変化による燃焼用空気の過渡的な湿度変化に対しても、第１実施例の場合と同様にガスタービン燃焼器２の燃焼安定性が確保できる。
【０１０２】
本実施例によれば、高湿分空気利用ガスタービンの増湿器への水分添加の開始後でガスタービン燃焼器のＮＯｘ生成および火炎安定性に対する過渡的な条件変化が生じた場合に、ガスタービン燃焼器を低ＮＯｘで安定して燃焼させることを可能にした高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置が実現できる。
【実施例３】
【０１０３】
高湿分空気利用ガスタービンに設置される本発明の第３実施例であるガスタービン燃焼器の燃料制御方法及び燃料制御装置について図１０乃至図１３を用いて説明する。
【０１０４】
本実施例のガスタービン燃焼器の制御方法及び制御装置は、先の第１実施例のガスタービン燃焼器の制御方法及び制御装置と基本的な構成は共通しているので、両者に共通した説明は省略し、相違する部分のみ以下に説明する。
【０１０５】
本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御装置４００は、ガスタービン排気ガス１０７から熱回収する再生熱交換器５の下流側に給水加熱器２２を設置した点が第１実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御装置と異なっている。給水加熱器２２は、再生熱交換器５を通過後の排気ガス１０７から熱エネルギーをさらに回収して増湿器４に供給する水を加温することで高湿分空気利用ガスタービンの熱効率を向上させる利点を有する。
【０１０６】
本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御装置４００では、増湿器内部温度５００、増湿器供給水温度５０１、増湿器循環水温度５０２、増湿器流入空気温度５０３、空気冷却器側の供給水温度５０４、給水加熱器側の供給水温度５０５のうち少なくとも一点と増湿器内圧６００とを計測している。
【０１０７】
本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料制御方法及び燃料制御装置を適用した高湿分空気利用ガスタービンの運転方法の一例を示す特性図について図１１、図１２を参照しながら説明する。
【０１０８】
図１１の特性図の横軸は図４の特性図と同様に起動開始からの時刻、縦軸は上から回転数、発電量、空気流量、増湿器供給水量（給水加熱器側の増湿器供給水量３０３と空気冷却器側の増湿器供給水量３０５）、加湿空気１０４の湿度、増湿器内部温度５００、増湿器供給水温度５０１、増湿器循環水温度５０２、増湿器流入空気温度５０３、空気冷却器側の供給水温度５０４、給水加熱器側の供給水温度５０５をそれぞれ示したものである。
【０１０９】
ここで、増湿器内部温度５００、増湿器供給水温度５０１、増湿器循環水温度５０２、増湿器流入空気温度５０３、空気冷却器側供給水温度５０４、給水加熱器側供給水温度５０５は時刻に対して同様に温度変化することが、発明者らの高湿分空気利用ガスタービンのパイロットプラントの実験から分かっているのでまとめて示した。
【０１１０】
また、図１２の特性図の横軸は図１１の特性図と同様に起動開始からの時刻、縦軸は上から燃焼温度、燃料流量、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、水分添加量変化期間ｂ２、水分添加量一定期間ｂ３に分かれている。
【０１１１】
第１実施例の場合の高湿分空気利用ガスタービンの運転方法を示した特性図と異なり、水分添加量変化期間ｂ２は、本実施例の高湿分空気利用ガスタービンでは増湿器４に対して合流して水を供給する２つの給水系統を備えていることから、給水加熱器側の供給水３０３の添加後に空気冷却器側の供給水３０５が添加される構成となっている。増湿器４へ水分添加を開始するまでの高湿分空気利用ガスタービンの運転の流れは第１実施例の場合と同様である。
【０１１２】
本実施例の場合の高湿分空気利用ガスタービンの運転方法では、加湿開始指令により、まず給水加熱器側増湿器給水弁３１５が開き、開度に応じた流量の給水が増湿器４へと注水される。同時に、給水加熱器バイパス弁３１４は、給水加熱器２２を流れる水量が所定の値となるよう制御されながら、開度を減少し最終的には全閉状態となる。
【０１１３】
その後は給水加熱器側増湿器給水弁３１５の開度を制御することで、給水加熱器２２を流れる水量が所定の値となるよう調整される。引き続き、空気冷却器側増湿器給水弁３１２が開き、開度に応じた流量の給水が増湿器４へと注水される。
【０１１４】
同時に、空気冷却器バイパス弁３１３は、空気冷却器２８を流れる水量が所定の値となるよう制御されながら、開度を減少し最終的には全閉状態となる。その後は空気冷却器側増湿器給水弁３１２の開度を制御することで、空気冷却器２８を流れる水量が所定の値となるよう調整される（期間ｂ２〜ｂ３）。
【０１１５】
本実施例においても、増湿器４による加湿後のガスタービン燃焼器２の燃焼安定性を確保するのに必要なＦ１燃料流量を求めるために、燃料制御装置４００に設けたＦ１バイアス演算器４０４に内在する飽和湿度の演算器によって燃焼空気の飽和湿度を求める。第１実施例において述べたように、増湿器内部温度５００と増湿器内圧６００から加湿空気１０４の湿度を求めることができる。
【０１１６】
または、本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料を制御する燃料制御装置４００によれば、増湿器供給水温度５０１、増湿器循環水温度５０２、増湿器入口空気温度５０３、空気冷却器側供給水温度５０４、給水加熱器側供給水温度５０５のいずれか１つの計測値から第２実施例の場合と同様にして燃料制御装置４００に設けたＦ１バイアス演算器４０４に内在する飽和湿度の演算器によって、増湿器内部温度５００´を推算し、推算した増湿器内部温度５００´と増湿器内圧６００から加湿空気１０４の飽和湿度（燃焼空気湿度）を演算し、演算した燃焼空気湿度から燃焼温度を計算するようにしても良い。
【０１１７】
この結果、第１実施例及び第２実施例のガスタービン燃焼器２の燃燃料制御装置４００と同様に、増湿器４に水分添加後もガスタービン燃焼器２の燃焼安定性を確保する図５の特性図中に実線で示した期間ｂ２におけるＦ１流量の増加が実現できる。
【０１１８】
本実施例のガスタービン燃焼器２の燃燃料制御装置４００が適用される高湿分空気利用ガスタービンのように給水加熱器２８を備えるときは、第２実施例の水温計測箇所に加えてさらに給水加熱器２８の給水系統の水温計測によっても燃料制御が可能となり、計測箇所の選択肢が広がる点で利点がある。
【０１１９】
図１３に示した本実施例のガスタービン燃焼器２の燃料を制御する燃料制御装置４００の制御ブロックにおいては、増湿器内部温度５００、あるいはデータベース４０５における増湿器供給水温度５０１、増湿器循環水温度５０２、増湿器入口空気温度５０３、空気冷却器側供給水温度５０４、給水加熱器側供給水温度５０５のいずれか１つの値から推算される増湿器内部温度５００´と、増湿器内圧６００とによって燃焼空気の飽和湿度が演算され、この燃焼空気の飽和湿度から演算された燃焼空気温度の計算結果から第１実施例、第２実施例の燃料制御装置４００と同様に増湿器４に水分添加後もガスタービン燃焼器２の燃焼安定性を確保する図５の特性図中に実線で示した期間ｂ２におけるＦ１流量の増加が実現できる。
【０１２０】
また、増湿器４に供給する増湿器給水量３０１の変化による燃焼用空気の過渡的な湿度変化に対しても、第１実施例、第２実施例の場合と同様にガスタービン燃焼器２の燃焼安定性が確保できる。
【０１２１】
なお、期間ｂ３に到達後の高湿分空気利用ガスタービンの運転方法は第１実施例の場合と同じ運用である。
【０１２２】
本実施例では、空気冷却器２８と給水加熱器２２とを備えた構成の高湿分空気利用ガスタービンに本実施例のガスタービン燃焼器の燃料制御装置を適用した場合について説明したが、本構成において空気冷却器２８を含まない構成の場合も同様の高湿分空気利用ガスタービンの運転方法が可能である。その場合、増湿器内部温度５００の他に、増湿器循環水温度５０２、給水加熱器側供給水温度５０５、増湿器供給水温度５０１によって加湿空気１０４の湿度（燃焼空気湿度）を求めれば良い。
【０１２３】
本実施例によれば、高湿分空気利用ガスタービンの増湿器への水分添加の開始後でガスタービン燃焼器のＮＯｘ生成および火炎安定性に対する過渡的な条件変化が生じた場合に、ガスタービン燃焼器を低ＮＯｘで安定して燃焼させることを可能にした高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明は  高湿分空気利用ガスタービン用のガスタービン燃焼器の燃料制御方法および燃料制御装置に適用可能である。
【符号の説明】
【０１２５】
１：圧縮機、２：燃焼器、３：タービン、４：増湿器、５：再生熱交換器、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：ライナフロースリーブ、１２：トランジションピース、１３：トランジションピースフロースリーブ、２０：発電機  、２１：シャフト、２２：給水加熱器、２３：煙道、２４：水回収装置、２５：排気筒、２６：水質浄化装置、２７：吸気噴霧装置、２８：空気冷却器、３０：燃料ヘッダ、３１：燃料ノズル、３２：空気孔、３３：空気孔プレート、３５：燃料噴流、３６：空気噴流、５１：Ｆ１燃料フランジ、５２：Ｆ２燃料フランジ、５３：Ｆ３燃料フランジ、５４：Ｆ４燃料フランジ、１００：ガスタービン吸い込み空気（大気圧）、１０１：吸い込み空気（大気圧）、１０２：高圧空気、１０３：抽気空気、１０４：加湿空気、１０５：高温空気、１０６〜１０９：排気ガス、１１０：増湿器流入空気、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燃料制御弁、２１２：Ｆ２燃料制御弁、２１３：Ｆ３燃料制御弁、２１４：Ｆ４燃料制御弁、３００：圧縮機吸気噴霧水、３０１：増湿器供給水、３０２、３０４：バイパス水、３０３、３０５：供給水、３１０：噴霧水量制御弁、３１２：増湿器給水量制御弁、３１３：増湿器バイパス弁、３１４：増湿器バイパス弁、３１５：増湿器給水量制御弁、４０１：減算器、４０２：燃料流量制御器、４０３：燃料流量比率設定器、４０４：Ｆ１バイアス設定器、４０５：データベース、４０７：実燃料流量制御器、４１０：燃料流量指令値、４１１：Ｆ１燃料比率、４１２：Ｆ２燃料比率、４１３：Ｆ３燃料比率、４１４：Ｆ４燃料比率、４１５：Ｆ１バイアス、５００：増湿器内部温度、５０１：増湿器供給水温度、５０２：増湿器循環水温度、５０３：増湿器流入空気温度、５０４：増湿器供給水温度、５０５：増湿器供給水温度、６００：増湿器内圧。
【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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