(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円筒形の燃焼室と、前記燃焼室の上流側中央部に配置されている拡散燃料ノズルと、その周囲に形成され、前記燃焼室の上流端に連通する空気通路と、該空気通路内に燃料を噴射する予混合燃料ノズルと、を備えるガスタービン用予混合燃焼器であって、
前記空気通路は、予混合流路と、この上流に連通する空気流路とから構成され、該予混合流路の上流に前記予混合燃料ノズルが配置されるとともに、前記予混合流路は、通過する気流に旋回速度を付与する旋回装置が上流側に配置されており、旋回気流を外側から軸中心方向へ導く第１流路と、前記第１流路を通過した気流の方向を軸方向へ転向させる第２流路と、流路面積を徐々に減少させて前記第２流路を通過した気流を軸方向に加速するとともに軸方向に対して規定の角度で外側へ向けて前記燃焼室内へと噴出させる環状流路である第３流路とから構成されており、前記第３流路の軸中心部分に前記拡散燃料ノズルが配置されるとともに、前記拡散燃料ノズルと前記環状流路との間に空気噴孔が配置されていることを特徴とするガスタービン用予混合燃焼器。
【請求項２】
前記規定の角度は１５°〜３０°であることを特徴とする請求項１記載のガスタービン用予混合燃焼器。
【請求項３】
前記空気噴孔が複数配置され、各空気噴孔は、前記空気流路に連通されている請求項１または２のいずれかに記載のガスタービン用予混合燃焼器。
【請求項４】
請求項１〜３記載のいずれかのガスタービン用予混合燃焼器の燃料供給を制御する制御装置であって、
前記拡散燃料ノズルと予混合燃料ノズルの各々に燃料を供給する燃料配管上にそれぞれ配置されている電磁弁と、
ガスタービンの回転数を可変する回転数可変手段と、
前記電磁弁それぞれの開閉を制御することで拡散燃焼と予混合燃焼の切り替えを行うとともに、前記回転数可変手段によりガスタービンの回転数を変更することで、燃料当量比あるいは排ガス温度を一定に維持しつつ要求負荷に対応させる制御部と、
を備えているガスタービン用予混合燃焼器の燃料供給制御装置。
【請求項５】
燃料供給系には燃料を加圧して圧送する圧送手段がさらに配置されており、
前記制御部は、前記圧送手段の作動を制御することで燃料流量を調整する請求項４記載のガスタービン用予混合燃焼器の燃料供給制御装置。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれかに記載のガスタービン用予混合燃焼器の燃料制御方法において、
前記拡散燃料ノズルと予混合燃料ノズルの各々に燃料を供給する燃料配管上にはそれぞれ電磁弁が配置されており、その開閉を制御することで拡散燃焼と予混合燃焼とを運転条件に応じて切り替えるとともに、
タービン回転数と、排ガス温度とがともに所定の閾値以上の場合には、拡散燃料ノズルへの燃料供給を停止して、予混合燃料ノズルへの燃料供給のみを行うガスタービン用予混合燃焼器の燃料制御方法。
【請求項７】
急減速・急加速時に拡散燃料の電磁弁を開にするとともに、予混合燃料の電磁弁を閉に切り換えることで燃料流量を調整する請求項６記載のガスタービン用予混合燃焼器の燃料制御方法。
【請求項８】
予混合燃焼による負荷運転時には、圧縮機出口圧力あるいは燃焼室入口温度を計測して対応する燃料流量を算出し、燃料当量比あるいは排ガス温度が一定となるようタービン回転数を制御することで要求負荷に対応させる請求項６あるいは７のいずれかに記載のガスタービン用予混合燃焼器の燃料制御方法。
【請求項９】
拡散燃料ノズルへ燃料を供給する燃料配管上に配置されている電磁弁は、遮断弁と流量調整弁とを組み合わせて構成されており、ガスタービンの始動時には、流量調整弁を所定の開度に設定し、タービン回転数が所定の回転数に達した後に遮断弁を開いて前記拡散燃料ノズルへの燃料供給を開始して、点火装置による着火を行うとともに、タービン回転数、排ガス温度、圧縮機出口空気圧力のいずれかの上昇とその変化率から着火の成否を判定する請求項６〜８のいずれかに記載のガスタービン用予混合燃焼器の燃料制御方法。
【請求項１０】
燃料供給系に配置された圧送装置を制御することで燃料流量を調整する請求項６〜９のいずれかに記載のガスタービン用予混合燃焼器の燃料制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン用の予混合燃焼器およびその燃料供給を制御する装置あるいは方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスタービン用の燃焼器においては、安定した燃焼の得られる拡散燃焼が用いられていたため、断熱火炎温度は約2000℃前後に達していた。そのため、窒素成分の少ない燃料、例えば天然ガス等を燃料とした場合であっても、空気中の窒素が酸化されることによっていわゆるサーマルNOxが発生してしまうことは避けられない。
【０００３】
このサーマルNOxは、火炎温度を下げることにより低減できることから、拡散燃焼に代えて、燃料を予め燃焼用空気と混合させて希薄な混合ガスとし、これを比較的低温で燃焼させる予混合燃焼を行うことでNOxの発生を抑制する手法が試みられている。
【０００４】
しかし、燃料ガスが希薄になると、燃焼安定範囲が狭くなり、確実な着火や安定した燃焼が困難になるという問題点がある。また、燃料を予め燃焼用空気と均一に混合するためには、一般に比較的長い予混合流路あるいは大きな予混合空間が必要となり、予混合空間が制限されて均一な混合ができない場合には、燃料濃度が濃い混合気となるためにNOxの生成が増加することになる。この問題点を解決するため、特開昭63-217141号公報には、拡散燃焼と予混合燃焼とを併用するとともに、負荷に応じて燃焼用空気流量を制御することで予混合燃焼を安定化させる技術が開示されている。
【０００５】
さらに、特開平5-296412号公報、特開平5-340273号公報、特開平8-128636号公報には、中心に着火用ガス噴出孔を設け、その周囲に一次、二次の燃焼用予混合ガス噴出孔を同心円状に設け、これら３系統の燃料供給を制御することで、比較的簡潔な構造の燃焼装置で着火から安定燃焼までを予混合燃焼で行い、低NOx化を実現できる技術が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの構成では、例えば最大出力運転から出力ゼロへの瞬間的な移行が火炎安定性が不完全であるために困難であったり、または、出力ゼロから最大出力運転への急激な移行に際して、急激な燃料増量のために予混合通路内の予混合気濃度が濃くなりすぎて逆火するなどの不具合があり、１秒程度の負荷変動には対応できないという問題がある。
【０００７】
また、燃焼用空気量を制御するには、空気量を可変するための機構が必要となり、燃焼器の直前に空気可変機構等を付加すると燃焼器の構造が複雑になり、信頼性の確保や小型化が困難であるという問題がある。
【０００８】
また、複数の燃料供給系を持つ燃焼器の場合、燃焼空間が別れて空気がそれぞれに分配されているため、着火時の燃焼用空気が少なく着火可能範囲が限られるという問題がある。このように着火可能範囲が狭く着火に至らないと、火炎が形成されないまま予混合気が大量に燃焼器内に流入し、その後で着火した際に爆燃を引き起こす可能性があるが、従来はこれを予防して着火遅れのない確実な着火およびそれに続くスムースな加速を行うには着火系統で高度な燃焼制御を行う必要があった。
【０００９】
また、従来の予混合燃焼器においては、吸気条件（圧力、温度）の変動については考慮されておらず、広い運転範囲で低NOx、高燃焼効率を実現することが困難であった。さらに、瞬間的な減速や加速に対応させるには多段燃料供給の予混合燃焼器では燃料供給制御が複雑になり、対応が困難であった。
【００１０】
そこで、本発明は、簡単な構成で、確実な着火及び立ち上げと、吸気条件の変化や急激な負荷変動にも関わらず、広い運転範囲で低NOx、高燃焼効率を実現することが可能なガスタービン用予混合燃焼器とその燃料供給制御装置、制御方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係るガスタービン用予混合燃焼器は、略円筒形の燃焼室と、燃焼室の上流側中央部に配置されている拡散燃料ノズルと、その周囲に形成され、燃焼室の上流端に連通する空気通路と、該空気通路内に燃料を噴射する予混合燃料ノズルと、を備えるガスタービン用予混合燃焼器であって、空気通路は、予混合流路と、この上流に連通する空気流路とから構成され、該予混合流路の上流に予混合燃料ノズルが配置されるとともに、予混合流路は、通過する気流に旋回速度を付与する旋回装置が上流側に配置されており、旋回気流を外側から軸中心方向へ導く第１流路と、第１流路を通過した気流の方向を軸方向へ転向させる第２流路と、流路面積を徐々に減少させて第２流路を通過した気流を軸方向に加速するとともに軸方向に対して規定の角度で外側へ向けて燃焼室内へと噴出させる環状流路である第３流路とから構成されており、前記第３流路の軸中心部分に前記拡散燃料ノズルが配置されるとともに、前記拡散燃料ノズルと前記環状流路との間に空気噴孔が配置されていることを特徴とする。
【００１２】
空気通路をこのように構成することで、予混合燃料ノズルから噴射された燃料と、空気流路を介して導入される空気とを旋回装置により効率的に混合する。また、生成された予混合気を軸中心方向へと導いて徐々に加速させつつ軸方向へと転向させることで比較的短い空間寸法の予混合流路で空間的にも時間的にも均一な予混合気が燃焼室へと供給される。これにより、希薄予混合火炎を形成してサーマルNOxの生成を抑制できる。
【００１４】
空気噴孔から噴射される空気により燃焼室内に形成される火炎を乱流拡散させて燃焼促進を図るとともに燃焼室内の空間温度分布を一様に保つ。さらに、拡散燃料ノズルが燃焼室に対面しているので、瞬間的な減速や加速を行う場合に、燃料切り替えによる燃焼室への燃料噴射の時間遅れがなく、そのために火炎の吹き消えや異常燃焼による過熱が発生しない。
【００１５】
この空気噴孔が複数配置され、各空気噴孔は、空気流路に連通されているとより好ましい。
【００１６】
複数の空気噴孔を配置することで、火炎を拡散燃料ノズル、第２流路出口、その間の壁面から離隔させて、壁面等の温度上昇を抑制する。さらに空気噴孔を通過する空気流による冷却効果も得られる。また、拡散燃料ノズルの周囲である端面上に付着するカーボン等を吹き飛ばすことができる効果もある。
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明に係るガスタービン用予混合燃焼器の燃料供給制御装置は、上述した本発明にかかるガスタービン用予混合燃焼器の燃料供給を制御する制御装置であって、この拡散燃料ノズルと予混合燃料ノズルの各々に燃料を供給する燃料配管上にそれぞれ配置されている電磁弁と、ガスタービンの回転数を可変する回転数可変手段と、これら電磁弁それぞれの開閉を制御することで拡散燃焼と予混合燃焼の切り替えを行うとともに、回転数可変手段によりガスタービンの回転数を変更することで、燃料当量比あるいは排ガス温度を一定に維持しつつ要求負荷に対応させる制御部と、を備えていることを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、拡散燃焼と予混合燃焼とを運転条件に応じて使い分けるので、両者を同時に組み合わせる場合と異なり、それぞれの割合を制御する必要がないので、比較的簡便で低コストの燃料供給系を実現することが可能となる。例えば、通常の負荷運転時は予混合燃焼により運転を行い、着火時や不安定燃焼時あるいは加速・減速時には拡散燃焼により運転を行うことで、確実な着火及び立ち上げと、広い運転範囲での低NOx、高燃焼効率を実現することが可能である。
【００１９】
さらに、ガスタービンの圧縮機の吸気条件に左右されることなく、常に最適な希薄燃焼を行うことができるとともに、排ガス温度をほぼ一定に維持すれば、ガスタービンを用いた発電システムやコ・ジェネレーションシステムの総合効率を比較的高く維持することが可能となる。
【００２０】
この燃料供給系には燃料を加圧して圧送する圧送手段がさらに配置されており、制御部は、圧送手段の作動を制御することで燃料流量を調整することが好ましい。このようにすると、燃料供給時に必要とされる駆動負荷を最小限とすることができる。
【００２１】
一方、本発明に係るガスタービン用予混合燃焼器の燃料制御方法は、前述のガスタービン用予混合燃焼器の燃料制御方法であって、拡散燃料ノズルと予混合燃料ノズルの各々に燃料を供給する燃料配管上にはそれぞれ電磁弁が配置されており、その開閉を制御することで拡散燃焼と予混合燃焼とを運転条件に応じて切り替えるとともに、タービン回転数と、排ガス温度とがともに所定の閾値以上の場合には、拡散燃料ノズルへの燃料供給を停止して、予混合燃料ノズルへの燃料供給のみを行うことを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、拡散燃焼と予混合燃焼とを運転条件に応じて使い分けるので、両者を同時に組み合わせる場合と異なり、それぞれの割合を制御する必要がないので、比較的簡便で低コストの燃料供給系を実現することが可能となる。タービン回転数と、排ガス温度とがともに所定の閾値以上の場合には、安定して希薄燃焼を継続できるので、予混合燃焼により運転を行い、着火時や不安定燃焼時には拡散燃焼により運転を行うことで、確実な着火及び立ち上げと、広い運転範囲での低NOx、高燃焼効率を実現することが可能である。
【００２３】
ここで、急減速・急加速時には、拡散燃料の電磁弁を開にするとともに、予混合燃料の電磁弁を閉に切り換えることで燃料流量を調整することが好ましい。このようにすると、切り替えに起因して燃焼が不安定になることを防止することができるとともに必要な運転状態に最短時間で移行することができ、安定した燃焼を継続することが可能となる。
【００２４】
予混合燃焼による負荷運転時には、圧縮機出口圧力を計測して対応する燃料流量を算出し、燃料当量比あるいは排ガス温度が一定となるようタービン回転数を制御することで要求負荷に対応させることが好ましい。
【００２５】
このようにすると、ガスタービンの圧縮機の吸気条件に左右されることなく、常に最適な希薄燃焼を行うことができるとともに、排ガス温度をほぼ一定に維持すれば、ガスタービンを用いた発電システムやコ・ジェネレーションシステムの総合効率を比較的高く維持することが可能となる。
【００２６】
拡散燃料ノズルへ燃料を供給する燃料配管上に配置されている電磁弁は、遮断弁と流量調整弁とを組み合わせて構成されており、ガスタービンの始動時には、流量調整弁を所定の開度に設定し、タービン回転数が所定の回転数に達した後に遮断弁を開いて拡散燃料ノズルへの燃料供給を開始して、点火装置による着火を行うとともに、タービン回転数、排ガス温度、圧縮機出口空気圧力のいずれかの上昇とその変化率から着火の成否を判定することが好ましい。
【００２７】
このようにすると、スタート時に燃料の供給量が所定の流量に達するまでの時間遅れを少なくすることができるので、確実な着火を行うことができる。そして、着火の成否を確実に判定することができるので、確実な着火とそれに続くスムースな加速を実現でき、爆燃等の不具合が発生することがない。
【００２８】
燃料供給系に配置された圧送装置を制御することで燃料流量を調整することが好ましい。このようにすると、燃料供給時に必要とされる駆動負荷を最小限とすることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００３０】
図１は、本発明に係るガスタービン用予混合燃焼器の好適な実施形態を示す縦断面図であり、図２はこの燃焼器の拡散燃料ノズルとその周囲に設けた空気噴孔の部分を端面側から見た図である。
【００３１】
燃焼器２は、略円筒状の外筒２１内に同じく略円筒状の内筒２２が配置された缶型燃焼器であり、図１においては後述する圧縮機１で圧縮された空気を右端から外筒２１と内筒２２の間の空間である空気流通路２９に導き、その末端（右端）２９ａから燃料とともに内筒２２の端部内側に形成される環状の予混合流路２６へと導いて流れを反転させて内筒２２内へと導いて燃焼させた後に右端から流出させて後述するタービン３へと供給する逆流型の燃焼器である。つまり、内筒２２内が燃焼室を形成する燃焼室ライナである。この内筒２２には、燃焼用空気を内部へと導き燃焼ガスを希釈する希釈孔３０が設けられている。
【００３２】
この燃焼器２内への燃料供給は、内筒２２の軸中心に配置される拡散燃料ノズル２３と、予混合流路２６の上流側の空気通路２９ａ内の円周上に略等間隔で配置される複数本の予混合燃料ノズル２４により行われる。各ノズル２３、２４への燃料供給は、外筒２１内の左端に接続された後述する２系統の燃料供給配管Ｌ１、Ｌ２により行われる。
【００３３】
予混合流路２６の上流端には複数の旋回羽根２７が配置されている。前述の予混合燃料ノズル２４は、この旋回羽根２７の直近の上流側に配置されていることになる。この旋回羽根２７は、半径方向に沿って配置されるのではなく、これと所定の傾きを設けて配置される。環状の予混合流路２６は軸中心に向かって流路が形成され、旋回羽根２７が配置されている上流側の導入部２６ａと、入口側が径方向へ開口し、出口側は軸方向へと開口してこの間を湾曲する流路で繋ぐ湾曲部２６ｂと、内筒２２と共通の中心軸を有し、軸方向に沿って上流側から下流側へ向かって流路断面積を徐々に減少させた管路部２６ｃから構成される。燃焼室内への開口部２６ｄは図２に示されるように環状の開口となる。この環状の開口部２６ｄから噴出する予混合気は、管路部２６ｃによって矢印Ａで示されるように軸方向に対して約１５°〜３０°の角度をなして外側へ向かって噴出されて燃焼室２２内へと流入する。
【００３４】
この環状の開口部２６ｄの内側の中心には拡散燃料ノズル２３が配置され、その６個の噴孔２３ａは、軸中心を中心とする円周上に等間隔で配置されている。噴孔２３ａと開口部２６の間には、２つの同心円周上に空気通路２９ａに接続された通路２８に連通する噴孔２８ａが複数個配置されている。図では、内周側に６個、外周側に１２個配置されている。
【００３５】
ここで、開口部２６ｄの内径Ｄ１と外径Ｄ２は、Ｄ２／Ｄ１≦１．５の関係を満たし、Ｄ１は、燃焼室、つまり内筒２２の最大内径Ｄ３に対して、２≦Ｄ３／Ｄ１≦４の関係を満たすことが好ましい。
【００３６】
図３は、この予混合燃焼器２を用いたガスタービン利用の発電システムを示す概略図である。燃焼器２は、圧縮機１とタービン３の間に配置され、圧縮機１で圧縮された空気に燃料を噴射して燃焼させ、得られた高温ガスによりタービン３を回転させて出力を得る。タービン３の出力軸（図では、圧縮機１側に配置されている）には例えば、発電機４が接続されている。発電機４にはその回転数を制御するインバーター５が接続されている。
【００３７】
燃焼器２の上述した燃料供給ラインＬ１、Ｌ２は、燃料供給系６の一部であり、都市ガスの供給配管に接続されている主配管Ｌ０上には、ガスコンプレッサ６１と、遮断弁６２、燃料調整弁６３が配置され、その下流側でラインＬ１とＬ２に分岐される。また、遮断弁６２の下流で燃料調整弁６３へ延びるラインＬ０とから分岐するラインＬ３が設けられ、このラインＬ３は、燃焼器２直前でラインＬ１に接続されている。ラインＬ１には遮断弁６５が、ラインＬ２には遮断弁６４が、またラインＬ３にはオリフィス６６と遮断弁６７がそれぞれ配置されている。
【００３８】
このシステムの運転を制御するエンジン制御ユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ）７には、圧縮機１の出口圧力を計測する圧力計７１と、出口温度を計測する燃焼器入口空気温度計７４と、タービン３出口における排ガス温度を計測する温度計７２の出力が入力されるほか、インバータ５の状態信号が入力され、点火プラグを火花発火させるエキサイタ７３のほか、各弁６２〜６５、６７やガスコンプレッサ６１の作動を制御する。
【００３９】
次に、この燃焼器２の動作について説明する。まず、起動時動作を図４を参照して説明する。図４は始動時における制御を示すタイムチャートである。以下、特に指定のない限り、制御のコントロールはＥＣＵ７によって行われるものとする。
【００４０】
時刻ｔ0において、遮断弁６２、６４、６５、６７を閉じた状態で流量調整弁６３を所定の開度ａまで開くとともに、圧縮機１、タービン３と連結された発電機４を起動用モータとして駆動して回転させることで圧縮機１を起動して、タービン３内と排気ダクト内をエアパージする。同時に燃料供給用のガスコンプレッサ６１を駆動する。このときに、遮断弁６２、６４、６５、６７は閉じたままであり、燃料である都市ガスは燃焼器２には供給されていない。
【００４１】
続いて時刻ｔ1になった時点かその少し前で、エキサイタ７３を駆動することで点火プラグ２５を間欠的に火花発火させる。
【００４２】
ガスコンプレッサ６１の供給圧力が規定の圧力に達しており、かつ、規定のエアパージ時間を経過した時刻ｔ2の時点で、各遮断弁６２、６５、６７を開き、ラインＬ１を介しての拡散燃料ノズル２３への燃料供給を開始する。このとき、予混合燃料ノズル２４へ接続されているラインＬ２に配置されている遮断弁６４は閉止されたままであり、予混合燃料ノズル２４へは燃料は供給されない。拡散燃料ノズル２３への燃料供給量は、圧力計６８で測定しているガスコンプレッサー６１の出口圧力が一定となるよう制御しつつ、流量調整弁６３の開度を調整することで制御されている。なお、燃料供給量の調整は、流量調整弁６３による代わりにガスコンプレッサ６１の回転速度を可変とすることで行ってもよい。
【００４３】
拡散燃料ノズル２３の先端の噴孔２３ａから供給された燃料は、予混合流路２６の開口部２６ｄより軸中心側に位置する壁面上に開口している噴孔２８ａから供給される空気流によって乱流拡散され、点火プラグ２５の周囲にまで拡散させることで点火プラグ２５から発火された火花により着火させる。点火プラグ２５からの発火により発生した比較的小さな火炎は、拡散燃料の噴孔２３ａに向かって伝播して、開口部２６ｄから１５°〜３０°の角度方向に噴出される旋回空気流が燃焼室２２内に形成している循環渦空間へと取り込まれて広がることで、安定で定常な拡散火炎を形成することができる。これにより、拡散燃焼火炎が内筒２２内に形成される。
【００４４】
こうして形成される拡散燃焼火炎は噴孔２８ａから噴出される空気流によって乱流拡散されているため、内筒２２の内壁面や開口部２６ｄより軸中心側に位置する内壁面２２ｂから離隔させることができ、壁面２２ｄや内筒２２の熱的損傷あるいはカーボン付着等を抑制できる。また、この乱流効果によって燃焼促進を図るとともに燃焼室内の空間温度分布を一様にすることができる。
【００４５】
こうして形成された拡散火炎により、燃焼室２２内で得られた高温ガスをタービン３へと導いて、タービン３を駆動することにより、タービン３の回転数が増加していく。この回転数の上昇を検出することで、拡散燃料の着火の成否を確実に判定することができる。また、着火が成功した際には温度計７２で測定している排ガスの温度や、圧力計７１で測定している圧縮機１の出口圧力が上昇するほか、発電機４のモータ駆動用に供給する電力が減少し、やがては逆に発電の負荷が上昇するから、これらの変化を基にして着火の成否を判定してもよい。
【００４６】
着火成功と判定したら（時刻ｔ3の時点）、流量調整弁６３の開度を徐々に大きくしていくことで、拡散燃料ノズル２３へと供給される燃料の量を増加せしめる。このようにして拡散燃焼火炎によって確実な着火とスムースな立ち上げを行うことができる。
【００４７】
次に負荷運転時の動作を説明する。図５は、図３のガスタービン発電システムとして５０ｋＷ級ガスタービンシステムを構成した場合の発電出力に対する燃焼制御状態を説明するグラフである。着火後所定の回転数までは遮断弁６５、６７をともに開、遮断弁６４を閉制御して拡散燃料ノズル２３からのみ燃料を供給することでパイロット用燃料による拡散燃焼運転を行う。
【００４８】
所定の回転数に達した後は、遮断弁６５を閉じて、遮断弁６４を開く。予混合燃料ノズル２４から噴射された燃料は、圧縮機１から通路２９を介して送られてきた燃焼用空気とともに予混合流路２６の導入部２６ａへと導かれ、旋回羽根２７によって旋回流を与えられることで良好に混合され、湾曲部２６ｂによりその流動方向が軸方向へと転向させられた後、管状部２６ｃを通過することで加速させられて環状の開口部２６ｄから内筒２２の燃焼室内へと噴射される。こうして予混合流路２６で均一な混合気が形成されるため、燃焼室内に噴射される予混合気の時間的空間的分布を均一化することができる。また、このような予混合流路の構成を採ることにより、比較的短い空間寸法で目的を達成することができ、燃焼器自体のコンパクト化を図ることができる。噴射された予混合気は、その内側に形成されている拡散火炎により着火され、予混合火炎を形成する。このように予混合火炎と拡散火炎を同時に形成することでパイロットアシスト予混合燃焼運転を行う。
【００４９】
さらに回転数が上昇して出力が所定出力に達した以降は遮断弁６７も閉じて拡散燃料ノズル２３への燃料供給を完全に停止する。この結果、予混合流路２６を通過した予混合気のみを利用した完全予混合燃焼を行う。形成されている予混合火炎も拡散火炎の場合と同様に噴孔２８ａから噴出される空気流によって乱流拡散されているため、内筒２２の内壁面や開口部２６ｄより軸中心側に位置する内壁面２２ｂから離隔させることができ、壁面２２ｅや内筒２２の熱的損傷を抑制できる。また、この乱流効果によって燃焼促進を図るとともに燃焼室内の空間温度分布を一様にすることができる。また、空気流路２９を通過する空気による内壁面２２ｂの冷却効果も期待できる。
【００５０】
ここで、前述したようにＤ２／Ｄ１≦１．５の関係を満たしていると、開口部２６ｄより内側に形成される予混合火炎と、開口部２６ｄの外側に形成される予混合火炎とが空間的に完全に分離することがなく、火炎の安定性が保持、強化されて確実に完全燃焼を行うことができる。
【００５１】
また、Ｄ３／Ｄ１≦４の関係を満たしていると、開口部２６ｄから供給された予混合気が燃焼室内で燃焼する際に内側と外側の火炎とが著しく分離することもなく、また、燃焼空間が無駄になることがなく均一燃焼が可能となり、燃焼室内の空間温度分布を均一化することができる。さらに、２≦Ｄ３／Ｄ１の関係を満たしていると、火炎が軸方向に異常に長く延びることがないので燃焼室を細長くする必要がなく、そのコンパクト化が図れるとともに、燃焼室ライナ２２の壁面温度の上昇を抑制する効果が得られる。
【００５２】
燃焼制御の際に、圧縮機１に連結された発電機４の回転数をインバータ５により制御することで、噴射された燃料に最適な供給空気量となるよう調整し、当量比を一定に保ち、燃焼温度を一定に制御することができる。
【００５３】
図６は、温度計７２で測定している排ガス温度（燃焼温度に相当）が一定となるようにインバータ５により発電機４の回転数を制御して運転した場合における排ガス中のNOx濃度、CO濃度を表したグラフである。ここでは、出力２０ｋＷまでを拡散燃焼、２０〜４２ｋＷまでをパイロット予混合燃焼、４２ｋＷ以上を完全予混合燃焼とした例を示している。
【００５４】
完全予混合燃焼領域では、酸素濃度１６％換算で、NOx濃度は6ppm未満、CO濃度は5ppm未満で燃焼効率は９９．９９％超である。パイロット予混合燃焼領域では、NOx濃度は8ppm未満、CO濃度は90ppm未満で燃焼効率は９９．５％超である。また、拡散燃焼領域では、NOx濃度は75ppm未満、CO濃度は250ppm未満で燃焼効率は９８％超である。発電効率は、２０ｋＷ〜５０ｋＷのパイロット予混合燃焼および完全予混合燃焼領域では２０〜２８％を示し、部分負荷運転でも比較的高い発電効率を維持するとともに、低NOx、低CO、高燃焼効率運転を行うことができた。
【００５５】
ここでは、約４２ｋＷでパイロット予混合燃焼と完全予混合燃焼とを切り換える例を説明したが、高負荷領域全てをパイロット予混合燃焼で、あるいは完全予混合燃焼で運転しても良く、切り替えをより低い負荷、例えば３０ｋＷで行ったり、あるいはより高い負荷で行うようにしてもよい。
【００５６】
最大出力５０ｋＷから出力０ｋＷまでの減速を瞬時に行いたい場合やあるいは出力０ｋＷから最大出力５０ｋＷまでの加速を１秒程度以下の時間で行いたい場合には、拡散燃料の電磁弁６５、６７を開くとともに、電磁弁６４を閉じて、拡散燃焼に瞬時に切り換えることにより、安定な拡散火炎を形成してスムースで最短時間の移行が可能となる。
【００５７】
次に、本発明に係る燃料供給制御について説明する。図７は、本発明に係るガスタービン用予混合燃焼器の燃料供給制御が適用されるガスタービン用予混合燃焼器の一例を示す縦断面図であり、図８はこの燃焼器の点火装置周辺を端面側から見た図である。
【００５８】
この燃焼器２ａは、燃焼器の軸中心部分の構造のみが図１に示される燃焼器２と相違する。そこで、共通する部分についての説明は省略し、相違する部分についてのみ説明する。
【００５９】
この燃焼器２ａにおいては、点火プラグ２５が燃焼室内筒２２の上流側（図の左側を指す）中央に設けられた孔２２ａ内に配置されている。そして、燃料供給配管Ｌ１に接続された拡散燃料ノズル２３の噴孔２３ａは、この孔２２ａを中心とする円周上に６個配置されている。
【００６０】
図９は、この予混合燃焼器２ａを用いたガスタービン利用の発電システムを示す概略図である。主要な構成は図３に示されるガスタービン発電システムと同一であり、ラインＬ３を備えていない点が図３のシステムと相違する。
【００６１】
まず、起動時の燃料供給制御について図１０を参照して説明する。図１０は始動時における制御を示すタイムチャートである。この制御もＥＣＵ７によって行われる。
【００６２】
時刻ｔ0において、遮断弁６２を閉じた状態で流量調整弁６３を所定の開度ａまで開くとともに、発電機４を起動用モータとして駆動して回転させることで圧縮機１を起動して、ガスタービン内と排気ダクト内をエアパージする。同時に燃料供給用のガスコンプレッサ６１を駆動する。このときに、遮断弁６２、６４、６５は閉じたままであり、燃料である都市ガスは燃焼器２には供給されていない。
【００６３】
続いて時刻ｔ1になった時点かその少し前で、エキサイタ７３を駆動することで点火プラグ４２を間欠的に火花発火させる。
【００６４】
ガスコンプレッサ６１の供給圧力が規定の圧力に達しており、かつ、規定のエアパージ時間を経過した時刻ｔ2の時点で、ラインＬ１上の遮断弁６５とその上流の遮断弁６２を開き、拡散燃料ノズル２３への燃料供給を開始する。ここで、燃料供給量は、流量調整弁６３の開度を調整することで制御されている。噴孔２３から供給された燃料は、燃焼室内に形成されている循環流によって点火プラグ２５の先端に回り込み、点火プラグ２５から発火された火花により着火することで、拡散燃焼火炎が内筒２２内に形成される。
【００６５】
こうして形成された拡散火炎により、燃焼室２２内で得られた高温ガスをタービン３へと導くことで、タービン３を駆動することにより、タービン３の回転数が増加していく。この回転数の上昇を検出することで、拡散燃料の着火の成否を確実に判定することができる。また、着火が成功した際には温度計７２で測定している排ガスの温度や、圧力計７１で測定している圧縮機１の出口圧力が上昇するほか、発電機４のモータ駆動用に供給する電力が減少し、やがては逆に発電の負荷が上昇するから、これらの変化を基にして着火の成否を判定してもよい。
【００６６】
着火成功と判定したら（時刻ｔ3の時点）、流量調整弁６３の開度を徐々に大きくしていくことで、拡散燃料ノズル２３へと供給される燃料の量を増加せしめる。このようにして拡散燃焼火炎によって確実な着火とスムースな立ち上げを行うことができる。
【００６７】
次に負荷運転時の動作を説明する。タービン３の回転数が所定の回転数以上になり、かつ、温度計７２で測定している排ガス温度が所定の温度（例えば６００℃）以上に達したら、ラインＬ２上の遮断弁６４を開いて予混合燃料ノズル２４への燃料供給を開始する。
【００６８】
予混合燃料ノズル２４から噴射された燃料は、圧縮機１から通路２９を介して送られてきた燃焼用空気とともに予混合流路２６を通過する際に混合され、環状の出口２６ａから内筒２２の燃焼室内に噴射されて、その内側に形成されている拡散火炎により着火し、予混合火炎を形成する。
【００６９】
タービン３の回転数と排ガス温度が安定して予混合火炎の着火を確認したら、所定時間後にラインＬ１上の遮断弁６５を閉じることにより、拡散燃料ノズル２３からの燃料供給を停止し、拡散燃焼から予混合燃焼への切り替えを終了する。
【００７０】
このように、拡散燃焼から予混合燃焼への切替時に、一時的に遮断弁６４、６５を共に開として、拡散燃料ノズル２３と予混合燃料ノズル２４の双方から燃料を供給するオーバーラップ時間を設けることで、拡散燃焼から予混合燃焼への移行（切り替え）を確実に行うことができる。
【００７１】
予混合燃焼への移行後は、排ガス温度が所定の温度（例えば、６５０℃）で維持されるよう、燃料供給量をガスコンプレッサ６１の回転数および流量調整弁６３により調整するとともに、圧力計７１で測定している圧縮機１の出口圧力をもとにして発電機４の回転数をインバータ５で制御することで、発電機４に直結された圧縮機１の回転数を噴射された燃料に最適な供給空気量となるよう調整する。これにより、当量比を一定に保ちつつ、所望の出力が得られるよう負荷運転を行うことができる。
【００７２】
このように当量比がほぼ一定に保たれているので、広い運転負荷範囲で希薄な空燃比での安定燃焼が行えるので、10ppm未満（数ppm）の低NOx、低COでの高効率燃焼が達成される。また、燃料供給量の調整をガスコンプレッサ６１の回転数制御と流量調整弁６３により行うことで、ガスコンプレッサ６１の駆動負荷を必要最小限とすることができる。なお、ここで燃料供給量の調整は、ガスコンプレッサ６１の回転数制御かあるいは流量調整弁６３の開度調整のいずれか一方のみで行ってもよい。
【００７３】
一方、タービン出口ガス温度が規定の温度レベル（例えば、６００℃）を下回った場合には、今度はラインＬ１上の遮断弁６５を開き、拡散燃料ノズル２３から燃料を噴射して、予混合火炎の内側に拡散火炎を形成する。そして、タービン３の回転数、排ガス温度が安定して拡散火炎の形成が確認されたら、所定の時間後にラインＬ２上の遮断弁６４を閉じることで、予混合燃料の供給を停止し、拡散燃焼への切り替えを終了する。
【００７４】
このように、予混合燃焼から拡散燃焼への切替時に、同時に瞬間的に切り換えるか、あるいは、オーバーラップ時間を設けることで、移行をスムースかつ確実に行うことができる。さらに、予混合燃焼では燃焼が不安定になりやすい領域では拡散燃焼を行うことで、不燃燃料が排出されたり、CO濃度が高くなることがなく、安定した運転が行える。
【００７５】
この本発明に係るガスタービン用予混合燃焼器の燃料供給制御装置および制御方法は、図７、図８に示されるようなガスタービン用予混合燃焼器にのみ適用されるものではなく、拡散燃焼と予混合燃焼を切り替えることが可能な各種の予混合燃焼器に適用可能である。
【００７６】
図１１は本発明を適用可能な別のガスタービン予混合燃焼器２ｂを示す縦断面図であり、図１２はその燃焼器内の上流側端部を下流側から見た図である。
【００７７】
この燃焼器２ｂでは、図１、図２に示される燃焼器２と同様に点火プラグ２５が燃焼器２ｂの内筒２２の側方に取り付けられている。点火プラグ２５を側方に配置することで、拡散燃料ノズル２３近傍の構造を単純なものとして、製造を容易にすることが可能である。
【００７８】
この燃焼器２ｂにおいても、本発明に係る燃料供給制御を好適に適用することが可能である。
【００７９】
燃料供給系６の一部を構成するガスコンプレッサ６１と燃料調整弁６３の代わりに、例えば回転数可変機構を持ったガスコンプレッサで燃料流量を制御してもよい。また、上記では燃料としては都市ガスを利用したが、例えば、ＬＮＧ、ＬＰＧ、バイオマス燃料あるいは水素等の他の気体燃料や液体燃料でも基本的には同様に使用可能である。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のガスタービン用予混合燃焼器によれば、軸対称な構成で比較的短い空間寸法の予混合流路で空間的にも時間的にも均一な予混合気を燃焼室へと供給することができるので、燃焼器全体の寸法をコンパクトにすることができるとともに、希薄予混合火炎を形成してサーマルNOxの生成を抑制することができる。
【００８１】
また、本発明に係る燃料制御方法によれば、同一の燃焼器において運転条件に応じて拡散燃焼と予混合燃焼とを切り替えるので、常に最適な条件で運転を行うことができ、NOx、COの排出量を低減できる。また、切り替えは電磁弁制御のみで行えるため、瞬間的な減速や加速に対応することができ、しかも燃料供給系の構造を簡略化できる。したがって、確実な着火、立ち上げが可能となる。
【００８２】
さらに、ガスタービンの回転数を調整することで、空気流量の調整を行うとともに、燃料流量を調整して、負荷に関わらず一定の当量比での燃焼あるいは燃焼温度を維持するので、高効率で低NOxの安定した燃焼が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスタービン用予混合燃焼器の一例を示す図である。
【図２】図１における燃焼室入口部分を示す図である。
【図３】図１の予混合燃焼器を利用したコ・ジェネレーションシステムの概略図である。
【図４】図３のシステムの起動時動作を説明するフローチャートである。
【図５】図３のシステムにおいて発電出力に対する燃焼制御状態を説明するグラフである。
【図６】図３のシステムにおいて排ガス中のNOx濃度、CO濃度を表したグラフである。
【図７】本発明に係る燃料供給制御装置を適用するガスタービン用予混合燃焼器の一例を示す図である。
【図８】図７における燃焼室入口部分を示す図である。
【図９】本発明に係る燃料供給制御装置を適用するガスタービンを利用したコ・ジェネレーションシステムの概略図である。
【図１０】図９のシステムの立ち上げ時のタイムチャートである。
【図１１】本発明に係る燃料供給制御装置を適用するガスタービン用予混合燃焼器の別の一例を示す図である。
【図１２】図１１における燃焼室入口部分を示す図である。
【符号の説明】
１…圧縮機、２…予混合燃焼器、３…タービン、４…発電機、５…インバータ、６…燃料供給系、７…ＥＣＵ、２１…外筒、２２…内筒（燃焼室ライナ）、２３…拡散燃料ノズル、２４…予混合燃料ノズル、２５…点火プラグ、２６…予混合流路、２９…空気流路、６１…ガスコンプレッサ、６２、６４、６５…遮断弁、６３…流量調整弁。
【図１】
0003809465.tif 000002
【図２】
0003809465.tif 000003
【図３】
0003809465.tif 000004
【図４】
0003809465.tif 000005
【図５】
0003809465.tif 000006
【図６】
0003809465.tif 000007
【図７】
0003809465.tif 000008
【図８】
0003809465.tif 000009
【図９】
0003809465.tif 000010
【図１０】
0003809465.tif 000011
【図１１】
0003809465.tif 000012
【図１２】
0003809465.tif 000013