(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の燃料制御弁を介してガスタービン燃焼器に燃料を供給する第１の燃料系統と、第２の燃料制御弁を介して前記ガスタービン燃焼器に燃料を供給する第２の燃料系統と、前記第１の燃料系統に燃料が流れていないときにその第１の燃料系統に乾燥ガスを流す手段と、前記第１および第２の燃料系統から前記ガスタービン燃焼器への出口部分それぞれに第１および第２の燃料ノズルとを有するガスタービン燃焼器システムにおいて、
前記第１の燃料系統内の露点温度を算出する手段と、前記第１の燃料系統の温度が前記露点温度以上となるように前記乾燥ガスの流量または温度の少なくとも一方を制御する手段とを有し、
前記乾燥ガスは、前記ガスタービン燃焼器での燃焼によって得られたエネルギによって駆動されるガスタービンで駆動される圧縮機から供給される圧縮空気であることを特徴とするガスタービン燃焼器システム。
【請求項２】
前記第１の燃料系統内の露点温度を算出する手段は、前記第１の燃料系統内の温度および圧力の測定値と、前記ガスタービン燃焼器の通常運用大気温度における１００％相対湿度、および、前記ガスタービン燃焼器の通常運用時の最大大気圧に基いて算出するものであること、を特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器システム。
【請求項３】
前記第１の燃料系統の温度および圧力の測定値と、前記圧縮機の吸気の絶対圧力および絶対湿度の測定値とに基いて前記第１の燃料系統内の露点温度を算出する手段と、前記第１の燃料系統の温度が前記露点温度以上となるように、前記乾燥ガスの流量または温度の少なくとも一方を制御する手段と、をさらに有すること、を特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電等に用いられるガスタービン燃焼器システムおよびその運用方法に関し、特に、一つのガスタービン燃焼器に接続された複数の燃料系統のうちの一部が燃料投入を一時的に停止することのあるガスタービン燃焼器システムに関する。なおここで、ガスタービンには、ジェットエンジンのガスタービンも含まれる。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスタービン燃焼器システムで、燃焼器に燃料を供給する燃料系統として複数系統持つものがある。また、それらの系統は必ずしも常時燃料を送り続けるわけではなく、部分負荷の場合に、一時的に一部の燃料系統に燃料を投入しないときがありうる。この場合、燃料を投入していない系統では、所定の負荷もしくは燃焼温度において、燃料投入が遮断された後は、その系統内は澱みの状態となっていた。一方、昨今、燃焼器の燃焼温度が上昇していること、および、環境に対する負荷低減として低ＮＯｘ化が図られてきたこと等により、一部の運用域においてのみ、燃料を投入する燃料系統を有する燃焼器が開発される傾向が顕著である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記ガスタービン燃焼器システムにおいては、ある特定の負荷帯および回転数帯において、燃料を投入していない系統には、燃焼用空気が燃料ノズルから逆流して入り込み、空気が停留する。この空気に含有する水分により、当該系統内にドレン（水分）が生成されることとなる。
【０００４】
その後、所定の負荷もしくは回転数に到達すると、その燃料を投入していない燃料系統に燃料を流し込むこととなるが、そのときにドレンが燃料ノズルから一度に吐き出され、このドレンにより燃焼器が失火する恐れがあった。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するものであって、燃料を投入していない燃料系統にドレンが滞留することを防止または抑制して、ドレンによる燃焼器の失火を防止または抑制するシステムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するものであって、請求項１の発明は、第１の燃料制御弁を介してガスタービン燃焼器に燃料を供給する第１の燃料系統と、第２の燃料制御弁を介して前記ガスタービン燃焼器に燃料を供給する第２の燃料系統と、前記第１の燃料系統に燃料が流れていないときにその第１の燃料系統に乾燥ガスを流す手段と、前記第１および第２の燃料系統から前記ガスタービン燃焼器への出口部分それぞれに第１および第２の燃料ノズルとを有するガスタービン燃焼器システムにおいて、前記第１の燃料系統内の露点温度を算出する手段と、前記第１の燃料系統の温度が前記露点温度以上となるように前記乾燥ガスの流量または温度の少なくとも一方を制御する手段とを有し、前記乾燥ガスは、前記ガスタービン燃焼器での燃焼によって得られたエネルギによって駆動されるガスタービンで駆動される圧縮機から供給される圧縮空気であることを特徴とする。
【０００７】
請求項１の発明によれば、燃料を投入していない第１の燃料系統内のドレン生成を防止または抑制することができ、これにより、当該系統に再度燃料を投入する際に、生成されたドレンがノズルから排出することによる燃焼器の失火を防止または抑制することが可能となる。
また、ガスタービン圧縮機からの圧縮空気を流用することにより、第１の燃料系統内のドレン生成を防止または抑制することができる。さらに、燃料を投入していない第１の燃料系統内のドレン生成を効率的にかつ確実に防止または抑制することができる。
【０００８】
また請求項２の発明は、前記第１の燃料系統内の露点温度を算出する手段は、前記第１の燃料系統内の温度および圧力の測定値と、前記ガスタービン燃焼器の通常運用大気温度における１００％相対湿度、および、前記ガスタービン燃焼器の通常運用時の最大大気圧に基いて算出するものであること、を特徴とする。
【００１０】
また請求項３の発明は、前記第１の燃料系統の温度および圧力の測定値と、前記圧縮機の吸気の絶対圧力および絶対湿度の測定値とに基いて前記第１の燃料系統内の露点温度を算出する手段と、前記第１の燃料系統の温度が前記露点温度以上となるように、前記乾燥ガスの流量または温度の少なくとも一方を制御する手段と、をさらに有すること、を特徴とする。
【００１１】
請求項２及び請求項３の発明によれば、第１の燃料系統内のドレン生成を確実に防止または抑制することができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しながら本発明の種々の実施の形態を説明する。これらの説明において、共通する部分には共通の符号を付し、説明を適宜省略する。
［第１の実施の形態］
図１に、本発明に係るガスタービン燃焼器システムの第１の実施の形態を示す。
図１で、ガスタービン（図示せず）を駆動する作動ガスを供給するガスタービン燃焼器４に燃料を供給するための燃料系統主配管１が示されている。燃料系統主配管１は第１の燃料系統７と第２の燃料系統８に分岐し、第１および第２の燃料系統７、８は互いに平行に、ガスタービン燃焼器４に連絡している。
【００４５】
第１の燃料系統７には第１の燃料制御弁２が配置され、さらに、第１の燃料系統７からガスタービン燃焼器４に出る出口には第１の燃料ノズル２０が取り付けられている。同様に、第２の燃料系統７には第２の燃料制御弁３が配置され、さらに、第２の燃料系統８からガスタービン燃焼器４に出る出口には第２の燃料ノズル２１が取り付けられている。
【００４６】
また、第１の燃料系統７には、乾燥ガス供給管２５が接続されている。乾燥ガス供給管２５は、圧縮空気供給弁６を介してガスタービン圧縮機５に接続されていて、乾燥ガスである圧縮空気が、適宜、第１の燃料系統７に供給できるようになっている。なお、ガスタービン圧縮機５は、前記ガスタービン（図示せず）によって駆動される。
【００４７】
ガスタービンがある所定の部分負荷状態にあるとき、図１に示すように第１の燃料制御弁２が閉止され、第１の燃料系統７は燃料未投入状態にある。なお、このとき第２燃料制御弁３は開いていて、第２の燃料系統８からはガスタービン燃焼器４に燃料が供給されている。このとき、圧縮空気供給弁６を開にすることにより、ガスタービン圧縮機５から、乾燥ガスである圧縮空気を第１の燃料系統７に流す。これにより、第１の燃料系統７内の澱みをなくし、加温することができる。
【００４８】
これにより、燃料未投入系統である第１の燃料系統７でのドレン生成が防止され、当該系統に再び燃料を流す際にドレンが一度に燃焼器４へ吐き出されることがなくなり、燃焼器４の失火を防止することができる。
【００４９】
なお、図１の実施の形態では、乾燥ガスとしてガスタービン圧縮機５からの圧縮空気を用いる例を示したが、その他の圧縮空気や乾燥空気を用いることも可能である。さらに、たとえばガスボンベに貯蔵した窒素ガス等を用いることも可能である。
【００５０】
［第２の実施の形態］
図２に、本発明に係るガスタービン燃焼器システムの第２の実施の形態を示す。この実施の形態は、ガスタービン吸気状態量として、絶対湿度および絶対圧力を計測する燃料系統内ドレン生成防止システムの一例である。
【００５１】
図２で、第１の燃料系統７には温度計１０および圧力計１１が取り付けられている。また、ガスタービン圧縮機の吸気ダクト１３には、絶対湿度を測定する湿度計１２と絶対圧力計１４が取り付けられている。これら温度計１０、圧力計１１、湿度計１２、圧力計１４の出力は制御装置９に入力され、圧縮空気供給弁６が制御装置９によって制御されるようになっている。
【００５２】
図２は、図１と同様に、ある所定の部分負荷状態において、第１の燃料制御弁２が閉止し、第１の燃料系統７が燃料未投入系統となっている状態を示す。このとき、圧縮空気供給弁６を開とすることにより、乾燥ガスである空気を第１の燃料系統７に流す。その際、第１の燃料系統７の圧力を圧力計１１により、さらに、ガスタービン圧縮機の吸気絶対湿度を湿度計１２により、絶対圧力を絶対圧力計１４によりそれぞれ計測する。
【００５３】
これらの状態量から、制御装置９により、燃料未投入状態の第１の燃料系統８の露点温度を計算する。すなわち、通常運用時の最大１００％相対湿度と大気圧により、通常運用範囲内での大気中の最大飽和水蒸気分圧を算出する。これに最大大気圧力と平均大気圧力の比を掛けて、最大飽和水蒸気分圧を計算する。
【００５４】
この大気はガスタービン圧縮機５に吸い込まれて昇圧され、第１の燃料系統７へ流れ込んでいく。その第１の燃料系統７内の圧力上昇分だけ、大気水蒸気分圧が上昇する。よって、この最大飽和水蒸気分圧に圧縮機５の圧力比を掛けて、このドレン生成を防止したい第１の燃料系統７内水蒸気分圧が計算される。この水蒸気分圧と飽和蒸気圧が同一値となる温度を計算する。これが露点温度となる。
【００５５】
第１の燃料系統７内の温度を温度計１０により監視し、これがその露点温度以上となるように、圧縮空気供給弁６により空気流量を制御する。
このことにより、第１の実施の形態に比べて、少ない空気流量にてドレン生成を防止し、第１の燃料系統７に再び燃料を流す際にドレンが一度に燃焼器４へ吐き出されることがなくなり、このことによる燃焼器４の失火を防止することができる。
【００５６】
なお、この第２の実施の形態の変形例として、第１の燃料系統７内の温度計１０、圧力計１１に加えて相対湿度計（図示せず）を設置し、これらの計測結果に基いて、第１の燃料系統７内の露点温度を算出することも可能である。
【００５７】
［第３の実施の形態］
図３に本発明に係るガスタービン燃焼器システムの第３の実施の形態を示す。この実施の形態では、第１の燃料系統３７が、第１の燃料制御弁２を通る制御弁系統３８と、これに平行な微量燃料系統３９とに分岐している。微量燃料系統３９には、微量投入弁３０と、オリフィス３１が設置されている。
【００５８】
図３は、ある所定の部分負荷状態において、第１の燃料制御弁２が閉止し、制御弁系統３８に燃料が投入されていない状態を示す。このとき、微量投入弁３０を開にすることにより、微量燃料系統３９に燃料を流す。このとき、第１の燃料ノズル２０にて着火しない程度の微量の燃料流量を流せるように、オリフィス３１にて流量調節する。これにより、大きな燃焼状態の変化を伴うことなく、燃焼器４側からの空気の逆流を防止できる。また、ドレンの生成を防止し、第１の燃料制御弁２を開いて制御弁系統３８に再び燃料を流す際に、ドレンが一度に燃焼器４へ吐き出されることがなくなり、このことによる燃焼器４の失火を防止することができる。
【００５９】
［第４の実施の形態］
図４に本発明に係るガスタービン燃焼器システムの第４の実施の形態を示す。この実施の形態では、第１の燃料系統４７の最下点４０にドレンポット４１が接続されている。また、ドレンポット４１に溜まったドレンはドレン弁４２を介して排出できるようになっている。また、ドレンポット４１には加熱器４３が設けられている。
【００６０】
図４は、ある所定の部分負荷状態において、第１の燃料制御弁２が閉止し、第１の燃料系統４７に燃料が投入されていない状態を示す。このとき、第１の燃料系統４７には燃焼器４から燃焼空気が逆流して、ドレンが生成されることとなる。このとき、第１の燃料系統４７内のドレンは最下点４０に接続されたドレンポット４１内に溜まる。ここに溜まったドレンは、加熱器４３によって適宜蒸発させることによって除去することができる。また、ドレン弁４２を適宜開くことによってもドレンを除去することができる。これにより、燃料を流していない第１の燃料系統４７に生成されるドレンを除去することが可能となり、当該系統に再び燃料を流す際にドレンが一度に燃焼器４へ吐き出されることがなくなり、このことによる燃焼器４の失火を防止することができる。
【００６１】
なお、この実施の形態のドレンポット４１は、他の実施の形態における第１の燃料系統に取り付けることもでき、それによって、他の実施の形態の作用・効果とこの実施の形態の作用・効果をともに発揮させることができる。
【００６２】
［第５の実施の形態］
図５に本発明に係るガスタービン燃焼器システムの第５の実施の形態を示す。この実施の形態では、第１の燃料系統５７の第１の燃料ノズル２０の上流側に逆止弁５０が配置されている。
【００６３】
図５は、ある所定の部分負荷状態において、第１の燃料制御弁２が閉止し、第１の燃料系統５７に燃料が投入されていない状態を示す。このとき、逆止弁５０により、第１の燃料系統５７に燃焼器４から逆流してくる燃焼空気の入り込みを防ぎ、当該系統に燃料を流していたときの残留燃料によって、第１の燃料系統５７が充填さたまま保持されることとなる。このことにより、燃焼空気に含有される湿分によるドレン生成を防ぎ、当該第１の燃料系統５７に再び燃料を流す際にドレンが一度に燃焼器４へ吐き出されることがなくなり、このことによる燃焼器４の失火を防止することができる。
【００６４】
なお、この実施の形態の逆止弁５０は、他の実施の形態における第１の燃料系統に取り付けることもでき、それによって、他の実施の形態の作用・効果とこの実施の形態の作用・効果をともに発揮させることができる。
【００６５】
［第６の実施の形態］
図６に本発明に係るガスタービン燃焼器システムの第６の実施の形態を示す。この実施の形態では、第１の燃料系統７の第１の燃料ノズル２０の出口部の、ガスタービン燃焼器４内に火炎検出器６０が配置されている。火炎検出器６０は、たとえば火炎が発する赤外線を検知し、これを光電効果により、その赤外線レベルを電圧値として出力するものである。これにより、第１の燃料ノズル２０の出口部に火炎があるか否かを確認することができる。
【００６６】
図６は、ある所定の部分負荷状態において、第１の燃料制御弁２が閉止し、第１の燃料系統７に燃料が投入されていない状態を示す。このとき、火炎検出器６０によって、第１の燃料ノズル２０の出口部に火炎がないことを確認しながら、第１の燃料制御弁２をわずかに開いて、微量の燃料を第１の燃料系統７に流し、それによって、第１の燃料系統７内のドレンの生成を防止することが可能である。
【００６７】
［第７の実施の形態］
たとえば図１に示す第１の実施の形態において、第１の燃料制御弁２をわずかに開いて、微量の燃料を第１の燃料系統７に流し、それによって、第１の燃料系統７内のドレンの生成を防止することが可能である。この場合に、第１の燃料ノズル２０の入口部と出口部に圧力計を設置して（図示せず）、これらの圧力の差または比を求め、それによって、第１の燃料ノズル２０を通るガスの流量を監視することができる。それにより、その流量を、第１の燃料ノズル２０出口での火炎を保持しない程度の流量とするように制御することができる。
【００６８】
［第８の実施の形態］
たとえば図１に示す第１の実施の形態において、第１の燃料系統７内のガスをサンプリングしてそのガス中の燃料の濃度を測定することができる。これによって、第１の燃料系統７内の燃料濃度を自己着火限界濃度に対して十分に低い値になるように、第１の燃料制御弁２を制御することができる。すなわち、濃度が高くなってきたら第１の燃料制御弁２を絞り、逆に濃度が低くなってきたら第１の燃料制御弁２を開く。このようにすることによって、第１の燃料系統７内のドレンの生成を防止することができる。
【００６９】
［第９の実施の形態］
次に、本発明に係るガスタービン燃焼器システムの第９の実施の形態を説明する。この実施の形態の配管系統などの構成は第１の実施の形態（図１参照）と同様である。ただし、この実施の形態では、圧縮空気供給弁６は開度を時間的に変化させることができる流量調節弁である。そして、圧縮空気供給弁６の開度変化により、乾燥ガス供給管２５を通して第１の燃料系統７へ供給されるパージ空気の流量は、図７に示すように制御される。
【００７０】
すなわち、第１の燃料系統７へ供給される燃料が停止されると、パージ空気流量は、ゼロから増加して行き、パージ開始からｔ１秒後にＧ１（ｋｇ／ｓ）に達する。その後ｔ２秒間この流量が一定に維持される。次いで、パージ空気流量は減少し、減少を始めてｔ３秒後にＧ２（ｋｇ／ｓ）に達する。その後は、流量が一定に維持される。
【００７１】
このようにパージ空気流量を制御することによって、第１の燃料系統７内のドレンの生成を防止・抑制するとともに、ガスタービン燃焼器４内の燃焼振動を防止・抑制することができる。
【００７２】
ここで、比較のために、この実施の形態とは違って、パージ空気流量を一定に制御する場合を検討する。この場合のパージ空気流量の時間変化は、通常、図８に示すように、ゼロから増加していって、例えばｔ０秒後にＧ０（ｋｇ／ｓ）に達し、その後は一定流量が維持されると考えられる。
【００７３】
ところが、燃料を投入していない燃料系統内に滞留する燃料を吐き出すために必要なパージ空気流量は、燃料系統内での結露を防止するために必要なパージ空気流量より多い。
【００７４】
パージ空気流量一定の場合は、燃料系統内に滞留する燃料を吐き出すためにパージ空気流量を増加すると、パージ空気によって、燃焼機内の燃料分布が不均一になり、燃焼振動が生ずる場合がある。また、燃焼振動を抑制するために、パージ空気流量を燃料系統内での結露を防止できる最低値まで減少させると、燃料を投入していない燃料系統内に燃料が滞留して、燃焼器内部から燃料系統に火炎が移る現象が生ずる場合がある。
【００７５】
本実施の形態では、最大パージ空気流量Ｇ１は燃料系統内の燃料を確実に吐き出すことが可能な空気流量とし、パージ空気流量Ｇ２は燃料系統内の結露を十分防止しつつ、パージ空気によって発生する燃焼振動が許容できるパージ空気流量とする。また、最大パージ空気流量保持時間ｔ２は最大パージ空気流量Ｇ１によって燃料系統内の燃料を確実に吐き出すために必要な時間となるように決定する。燃料系統に最大パージ空気流量Ｇ１をｔ２秒間燃料系統に供給した後、パージ空気流量Ｇ２にパージ空気流量を速やかに減少することで、燃料系統に滞留する燃料を吐き出しつつ、燃料配管内の結露を防止し、かつ燃焼振動を抑制できる。  なお、上記説明では、最大パージ空気流量Ｇ１をｔ２秒間維持するものとしたが、場合によっては、ｔ２はゼロでも良いことがありうる。
【００７６】
［第１０の実施の形態］
図９に本発明に係るガスタービン燃焼器システムの第１０の実施の形態を示す。この実施の形態では、ガスタービン燃焼器４に燃焼振動センサ７０が取り付けられており、この燃焼振動センサ７０の出力により燃焼振動を計測する燃焼振動計測器７２が設置されている。燃焼振動計測器７２の出力である燃焼振動計測値が制御装置９に送られ、制御装置９によって、圧縮空気供給弁６は、燃焼振動計測値によるフィードバック制御を受ける。
【００７７】
フィードバックされた燃焼振動計測値に応じて、図７に示す、最大パージ空気流量Ｇ１、最終パージ空気流量Ｇ２、最大パージ空気流量保持時間ｔ２を、燃焼器システムの運転毎に、燃焼振動が許容できる最大値に設定する。したがって、燃料系統に滞留する燃料を速やかに吐き出しつつ、燃料配管内の結露を最大限防止し、かつ燃焼振動を抑制できる。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ガスタービン燃焼器システムで、燃料を投入していない燃料系統にドレンが滞留することを防止または抑制して、ドレンによる燃焼器の失火を防止または抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガスタービン燃焼器システムの第１の実施の形態の概略系統図。
【図２】本発明によるガスタービン燃焼器システムの第２の実施の形態の概略系統図。
【図３】本発明によるガスタービン燃焼器システムの第３の実施の形態の概略系統図。
【図４】本発明によるガスタービン燃焼器システムの第４の実施の形態の概略系統図。
【図５】本発明によるガスタービン燃焼器システムの第５の実施の形態の概略系統図。
【図６】本発明によるガスタービン燃焼器システムの第６の実施の形態の概略系統図。
【図７】本発明によるガスタービン燃焼器システムの第９および第１０の実施の形態におけるパージ空気流量の目標値の時間変化を表すグラフ。
【図８】図７のグラフとの比較において、パージ空気流量の目標値を一定にする場合の時間変化を表すグラフ。
【図９】本発明によるガスタービン燃焼器システムの第１０の実施の形態の概略系統図。
【符号の説明】
１…燃料系統主配管、２…第１の燃料制御弁、３…第２の燃料制御弁、４…ガスタービン燃焼器、５…ガスタービン圧縮機、６…圧縮空気供給弁、７…第１の燃料系統、８…第２の燃料系統、９…制御装置、１０…温度計、１１…圧力計、１２…絶対湿度計、１３…吸気ダクト、１４…吸気絶対圧力計、２０…第１の燃料ノズル、２１…第２の燃料ノズル、２５…乾燥ガス供給管、３０…微量投入弁、３１…オリフィス、３７…第１の燃料系統、３８…制御弁系統、３９…微量燃料系統、４０…第１の燃料系統の最下点、４１…ドレンポット、４２…ドレン弁、４３…加熱器、４７…第１の燃料系統、５０…逆止弁、５７…第１の燃料系統、６０…火炎検知器、７０…燃焼振動センサ、７２…燃焼振動計測器。
【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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