特許 6004920 ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6004920

(24)【登録日】2016年9月16日

(45)【発行日】2016年10月12日

(54)【発明の名称】ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法

(51)【国際特許分類】

   F02C 7/266 20060101AFI20160929BHJP

   F23R 3/28 20060101ALI20160929BHJP

   F23R 3/10 20060101ALI20160929BHJP

   F23R 3/12 20060101ALI20160929BHJP

   F02C 7/22 20060101ALI20160929BHJP

   F02C 3/22 20060101ALI20160929BHJP

   F02C 9/40 20060101ALI20160929BHJP

【ＦＩ】

   F02C7/266

   F23R3/28 D

   F23R3/28 B

   F23R3/10

   F23R3/12

   F23R3/28 A

   F02C7/22 B

   F02C3/22

   F02C9/40 B

【請求項の数】14

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2012-259430(P2012-259430)

(22)【出願日】2012年11月28日

(65)【公開番号】特開2014-105634(P2014-105634A)

(43)【公開日】2014年6月9日

【審査請求日】2015年11月6日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 ゼロエミッション石炭火力技術開発プロジェクト／ゼロエミッション石炭火力基盤技術開発 革新的ガス化技術に関する基盤研究事業 石炭ガス化発電用高水素濃度対応低ＮＯｘ技術開発委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】穐山 恭大

(72)【発明者】

【氏名】百々 聡

(72)【発明者】

【氏名】浅井 智広

(72)【発明者】

【氏名】林 明典

【審査官】 佐藤 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０９８０２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１４８７３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０１７３８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０７４３７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０７４３７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１０７０３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１０７０３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０７７９４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｃ １／００− ９／５８

Ｆ２３Ｒ ３／００− ７／００

Ｆ２３Ｃ １／００−９９／００

Ｆ２３Ｄ １１／１０、３６−４６

Ｆ２３Ｄ １４／１４

ＤＷＰＩ（Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料を噴出する複数の燃料ノズルと前記複数の燃料ノズルに対応して略同軸に形成された燃焼用空気を噴出する複数の空気孔を配置した空気孔プレートとで構成したバーナと、前記バーナから噴出した燃料と燃焼用空気を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室を内部に形成する燃焼器ライナと、前記ライナおよび前記バーナを内包する外筒およびエンドカバーとを備えたガスタービン燃焼器において、
前記バーナをガスタービン燃焼器の中心軸上に少なくとも１個備え、
ガスタービン燃焼器の中心軸上に備えた前記バーナを構成する空気孔プレートに前記複数の燃料ノズルに対応した複数の空気孔を同心円状に複数列配設し、
空気孔プレートの内周側の空気孔列に対応した燃料ノズルに燃料を供給する内周燃料供給系統と、空気孔プレートの外周側の空気孔列に対応した燃料ノズルに燃料を供給する外周燃料供給系統を夫々配設し、
前記バーナの中心軸上となる前記空気孔プレートの同心円の中心軸上に燃料を着火させる抵抗発熱体を配置したことを特徴とするガスタービン燃焼器。

【請求項2】

請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
前記抵抗発熱体先端を前記空気孔プレート出口面より燃焼室側に突出させて配設したことを特徴とするガスタービン燃焼器。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のガスタービン燃焼器において、
前記抵抗発熱体に電圧を印加して前記抵抗発熱体の先端温度を高める電源と、
前記電源から前記抵抗発熱体に印加する電圧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。

【請求項4】

燃料を噴出する複数の燃料ノズルと前記複数の燃料ノズルに対応して略同軸に形成された燃焼用空気を噴出する複数の空気孔を配置した空気孔プレートとで構成したバーナと、前記バーナから噴出した燃料と燃焼用空気を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室を内部に形成する燃焼器ライナと、前記ライナおよび前記バーナを内包する外筒およびエンドカバーとを備えたガスタービン燃焼器において、
前記バーナをガスタービン燃焼器の中心軸上に中央バーナとして１個設置すると共に、前記中央バーナの外周側に外周バーナとして複数個設置し、
前記中央バーナ及び外周バーナを構成する複数の燃料ノズルに対応した複数の空気孔から形成される空気孔列を前記空気孔プレートにそれぞれ同心円状に複数列配設し、
前記空気孔プレートに同心円状に複数列配設した内周側の空気孔列に対応した前記中央バーナ及び外周バーナの各燃料ノズルに燃料を供給する内周燃料供給系統と、前記空気孔プレートに同心円状に複数列配設した外周側の空気孔列に対応した前記中央バーナ及び外周バーナの各燃料ノズルに燃料を供給する外周燃料供給系統を夫々配設し、
前記外周バーナの中心軸上となる前記空気孔プレートの同心円の中心軸上に燃料を着火させる抵抗発熱体を配置したことを特徴とするガスタービン燃焼器。

【請求項5】

請求項４に記載のガスタービン燃焼器において、
前記抵抗発熱体先端を前記空気孔プレート出口面より燃焼室側に突出させて配設したことを特徴とするガスタービン燃焼器。

【請求項6】

請求項４又は５に記載のガスタービン燃焼器において、
前記抵抗発熱体に電圧を印加して前記抵抗発熱体の先端温度を高める電源と、
前記電源から前記抵抗発熱体に印加する電圧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。

【請求項7】

請求項１又は４に記載のガスタービン燃焼器において、
前記バーナとして、燃料組成に水素を含む燃料を燃焼するバーナを備えていることを特徴とするガスタービン燃焼器。

【請求項8】

燃料を噴出する複数の燃料ノズルと前記複数の燃料ノズルに対応して略同軸に形成された燃焼用空気を噴出する複数の空気孔を配置した空気孔プレートとで構成したバーナと、前記バーナから噴出した燃料と燃焼用空気を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室を内部に形成する燃焼器ライナと、前記ライナおよび前記バーナを内包する外筒およびエンドカバーとを備えたガスタービン燃焼器であって、前記バーナはガスタービン燃焼器の中心軸上に少なくとも１個備えており、前記バーナを構成する空気孔プレートに前記複数の燃料ノズルに対応した複数の空気孔を同心円状に複数列配設しており、空気孔プレートの内周側の空気孔列に対応した燃料ノズルに燃料を供給する内周燃料供給系統と、空気孔プレートの外周側の空気孔列に対応した燃料ノズルに燃料を供給する外周燃料供給系統を夫々配設し、前記バーナの中心軸上となる前記空気孔プレートの同心円の中心軸上に燃料を着火させる抵抗発熱体を配置したガスタービン燃焼器の制御方法において、
前記抵抗発熱体に電圧を印加して前記抵抗発熱体の先端温度を高めて該抵抗発熱体に火炎の保炎点を形成させ、燃焼室で燃料を燃焼させるように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9】

請求項８に記載のガスタービン燃焼器の制御方法において、
前記ガスタービン燃焼器には前記抵抗発熱体に電圧を印加して前記抵抗発熱体の先端温度を高める電源と、前記電源から前記抵抗発熱体に印加する電圧を制御する制御装置が設置されており、
前記制御装置によって前記電源から一定電圧または繰返し電圧を前記抵抗発熱体に印加させて、燃料組成の変化に起因する発熱量変動に応じて前記抵抗発熱体の先端温度を変化させるように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10】

請求項８に記載のガスタービン燃焼器の制御方法において、
前記電源から一定電圧または繰返し電圧を前記抵抗発熱体に印加することにより生じる電流値を前記制御装置で監視して前記抵抗発熱体の先端温度を制御する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11】

燃料を噴出する複数の燃料ノズルと前記複数の燃料ノズルに対応して略同軸に形成された燃焼用空気を噴出する複数の空気孔を配置した空気孔プレートとで構成したバーナと、前記バーナから噴出した燃料と燃焼用空気を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室を内部に形成する燃焼器ライナと、前記ライナおよび前記バーナを内包する外筒およびエンドカバーとを備えたガスタービン燃焼器であって、前記バーナはガスタービン燃焼器の中心軸上に中央バーナとして１個設置すると共に、前記中央バーナの外周側に外周バーナとして複数個設置しており、前記中央バーナ及び外周バーナを構成する複数の燃料ノズルに対応した複数の空気孔から形成される空気孔列を前記空気孔プレートにそれぞれ同心円状に複数列配設しており、前記空気孔プレートに同心円状に複数列配設した内周側の空気孔列に対応した前記中央バーナ及び外周バーナの各燃料ノズルに燃料を供給する内周燃料供給系統と、前記空気孔プレートに同心円状に複数列配設した外周側の空気孔列に対応した前記中央バーナ及び外周バーナの各燃料ノズルに燃料を供給する外周燃料供給系統を夫々配設し、前記外周バーナの中心軸上となる前記空気孔プレートの同心円の中心軸上に燃料を着火させる抵抗発熱体を配置したガスタービン燃焼器の制御方法において、
前記外周バーナの抵抗発熱体に電圧を印加して前記抵抗発熱体の先端温度を高めて該抵抗発熱体に火炎の保炎点を形成させ、燃焼室で燃料を燃焼させるように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12】

請求項１１に記載のガスタービン燃焼器の制御方法において、
ガスタービンの負荷が低負荷時に前記外周バーナの抵抗発熱体に電圧を印加して抵抗発熱体の先端温度を高めて該抵抗発熱体に火炎の保炎点を形成させて燃焼室で燃料を燃焼させ、ガスタービンを昇速から定格負荷に至るまで運転するように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13】

請求項１１又は１２に記載のガスタービン燃焼器の制御方法において、
前記抵抗発熱体に電圧を印加して前記抵抗発熱体の先端温度を高める電源と、前記電源から前記抵抗発熱体に印加する電圧を制御する制御装置が設置されており、
前記制御装置によって前記電源から一定電圧または繰返し電圧を前記抵抗発熱体に印加させて、燃料組成の変化に起因する発熱量変動に応じて前記抵抗発熱体の先端温度を変化させるように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14】

請求項８又は１１に記載のガスタービン燃焼器の制御方法において、
前記バーナは燃料組成に水素を含む燃料を燃焼する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および燃料組成に水素を含む燃料によって運転されるガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

火力発電プラントでは、地球温暖化の原因となる二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量を削減する手段として、発電効率の向上や化石燃料以外の水素などの燃料を積極的に利用することが検討されている。

【0003】

発電効率の向上には、ガスタービン複合発電設備のガスタービン入口温度の高温化が有効である。しかし、ガスタービンの高温化に伴い、環境汚染物質である窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量が増加するため、発電効率の向上とともにＮＯｘ排出量の低減が重要な技術課題となっており、高温化したガスタービンや水素含有燃料を使用するガスタービンに対応した低ＮＯｘ燃焼方式が求められている。

【0004】

ガスタービン燃焼器の燃焼方式として、一般に拡散燃焼方式と予混合燃焼方式がある。拡散燃焼方式は、燃料を燃焼室に直接噴射して燃焼室内で燃料と空気の混合する形式であり、燃焼室内で燃料と空気が最も燃焼しやすい比率（量論混合比）に混合された領域を中心に火炎が形成される。

【0005】

このため、起動から定格負荷条件までのターンダウン比が大きく広範囲の燃焼安定性を確保できる。しかし、ガスタービン燃焼器の燃焼室内で燃料と空気が量論混合比に混合された領域を中心に火炎が形成されるため、局所的に高温の火炎が形成される。

【0006】

この局所高温領域におけるＮＯｘ排出量は多く、窒素や水や蒸気などの不活性媒体を噴射しＮＯｘ排出量を削減する必要があるため、発電効率が低下する可能性がある。

【0007】

一方、予混合燃焼方式は、燃料と空気を予め混合して燃焼室に供給する燃焼方式であり、燃焼に必要な空気より過剰な空気と燃料を混合してから、希薄に燃焼させることができるため低ＮＯｘ化が可能である。

【0008】

しかし、ガスタービンの高温化に伴い燃焼用空気温度が上昇すると共に、空気に対する燃料の比率が高くなるため、燃料と空気を混合するガスタービン燃焼器の予混合器内に火炎が逆流するポテンシャルが上がり構造物を焼損する等、ガスタービン燃焼器の信頼性を低下させる可能性がある。

【0009】

近年では、発電コスト低減や資源有効利用の観点から、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）などの水素を含む副生ガスを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。また、豊富な資源である石炭をガス化して発電する石炭ガス化複合発電プラント（ＩＧＣＣ：Integrated coal Gasification Combined Cycle）では、ガスタービン燃焼器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。

【0010】

これらガスタービン発電プラントで供給される燃料成分は、副生ガスで３０％〜６０％の水素を含み、二酸化炭素分離回収付ＩＧＣＣプラントの燃料である石炭ガス化ガスで２５％〜９０％の水素を含む。

【0011】

上記のような水素含有燃料を用いるガスタービンのガスタービン燃焼器の場合、水素は天然ガスに比較して着火エネルギが小さく、燃焼速度が速いため、予混合燃焼方式では予混合器に火炎が逆流したり、予混合器内で自着火したりする可能性が高くなる。

【0012】

一方、拡散燃焼方式で水素含有燃料を用いると、水素は理論空気量が小さいため、ガスタービン燃焼器の燃焼室内で量論混合比となる領域での火炎温度がさらに上昇し、ＮＯｘ排出量が増加する可能性がある。

【0013】

また、製油所のオフガスやＣＯＧのみならず、ＩＧＣＣプラントにおいてもガス生成設備の負荷変動によりガスタービンに供給される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することにより、信頼性上の問題を引起す可能性がある。

【0014】

さらに二酸化炭素回収率の変化に応じて水素濃度は大きく変化し、燃焼室内の壁面近傍で高温の火炎が局所的に形成される確率が高まるため、燃焼器の信頼性を向上する手段が求められる。

【0015】

このような課題に対応するため、特開２００９−１３３５０８号公報にはガスタービン燃焼器の燃焼室に対向配置された複数の燃料ノズルと複数の空気孔を概略同軸上に配置し、燃料と空気を同軸流として燃焼室に供給する燃焼器が開示されている。

【0016】

前記したガスタービン燃焼器では、燃料と空気を分散して同軸流として供給することで混合が急速に促進され、ＮＯｘ排出量を低減することが可能となる。また混合距離を短くすることが可能となり、火炎の逆流を防止できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0017】

【特許文献1】特開２００９−１３３５０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0018】

しかしながら、前記特開２００９−１３３５０８号公報に開示されたガスタービン燃焼器は、天然ガスなどの一般的なガス燃料に関して低ＮＯｘ燃焼を実現するものであり、水素を含むガス燃料を使用した場合に、低ＮＯｘ燃焼と燃焼器の安定な運用を両立させる方法は開示されていない。

【0019】

また前記特開２００９−１３３５０８号公報に開示されたガスタービン燃焼器に示されたバーナで水素含有燃料を燃焼させた場合、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やすく、信頼性上の問題を引起す可能性が高い。

【0020】

特に燃料と空気を噴射するバーナ構造物背後の後流領域に可燃混合気が存在し着火源となる場合、着火源を基点とした圧力波が継続的な圧力変動を誘起し、燃焼振動と呼ばれる不安定燃焼状態に陥る可能性がある。燃焼振動は燃焼器の繰返し疲労寿命を消費し、信頼性を低下させる原因となる。

【0021】

本発明の目的は、抵抗発熱体先端を保炎の基点として火炎を形成して燃焼安定性を維持するとともに、ＮＯｘ排出量を低減できるガスタービン燃焼器及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】

【0022】

本発明のガスタービン燃焼器は、燃料を噴出する複数の燃料ノズルと前記複数の燃料ノズルに対応して略同軸に形成された燃焼用空気を噴出する複数の空気孔を配置した空気孔プレートとで構成したバーナと、前記バーナから噴出した燃料と燃焼用空気を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室を内部に形成する燃焼器ライナと、前記ライナおよび前記バーナを内包する外筒およびエンドカバーとを備えたガスタービン燃焼器において、前記バーナをガスタービン燃焼器の中心軸上に少なくとも１個備え、ガスタービン燃焼器の中心軸上に備えた前記バーナを構成する空気孔プレートに前記複数の燃料ノズルに対応した複数の空気孔を同心円状に複数列配設し、空気孔プレートの内周側の空気孔列に対応した燃料ノズルに燃料を供給する内周燃料供給系統と、空気孔プレートの外周側の空気孔列に対応した燃料ノズルに燃料を供給する外周燃料供給系統を夫々配設し、前記バーナの中心軸上となる前記空気孔プレートの同心円の中心軸上に燃料を着火させる抵抗発熱体を配置したことを特徴とする。

【0023】

また本発明のガスタービン燃焼器は、燃料を噴出する複数の燃料ノズルと前記複数の燃料ノズルに対応して略同軸に形成された燃焼用空気を噴出する複数の空気孔を配置した空気孔プレートとで構成したバーナと、前記バーナから噴出した燃料と燃焼用空気を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室を内部に形成する燃焼器ライナと、前記ライナおよび前記バーナを内包する外筒およびエンドカバーとを備えたガスタービン燃焼器において、前記バーナをガスタービン燃焼器の中心軸上に中央バーナとして１個設置すると共に、前記中央バーナの外周側に外周バーナとして複数個設置し、前記中央バーナ及び外周バーナを構成する複数の燃料ノズルに対応した複数の空気孔から形成される空気孔列を前記空気孔プレートにそれぞれ同心円状に複数列配設し、前記空気孔プレートに同心円状に複数列配設した内周側の空気孔列に対応した前記中央バーナ及び外周バーナの各燃料ノズルに燃料を供給する内周燃料供給系統と、前記空気孔プレートに同心円状に複数列配設した外周側の空気孔列に対応した前記中央バーナ及び外周バーナの各燃料ノズルに燃料を供給する外周燃料供給系統を夫々配設し、前記外周バーナの中心軸上となる前記空気孔プレートの同心円の中心軸上に燃料を着火させる抵抗発熱体を配置したことを特徴とする。

【0024】

本発明のガスタービン燃焼器の制御方法は、燃料を噴出する複数の燃料ノズルと前記複数の燃料ノズルに対応して略同軸に形成された燃焼用空気を噴出する複数の空気孔を配置した空気孔プレートとで構成したバーナと、前記バーナから噴出した燃料と燃焼用空気を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室を内部に形成する燃焼器ライナと、前記ライナおよび前記バーナを内包する外筒およびエンドカバーとを備えたガスタービン燃焼器であって、前記バーナはガスタービン燃焼器の中心軸上に少なくとも１個備えており、前記バーナを構成する空気孔プレートに前記複数の燃料ノズルに対応した複数の空気孔を同心円状に複数列配設しており、空気孔プレートの内周側の空気孔列に対応した燃料ノズルに燃料を供給する内周燃料供給系統と、空気孔プレートの外周側の空気孔列に対応した燃料ノズルに燃料を供給する外周燃料供給系統を夫々配設し、前記バーナの中心軸上となる前記空気孔プレートの同心円の中心軸上に燃料を着火させる抵抗発熱体を配置したガスタービン燃焼器の制御方法において、前記抵抗発熱体に電圧を印加して前記抵抗発熱体の先端温度を高めて該抵抗発熱体に火炎の保炎点を形成させ、燃焼室で燃料を燃焼させるようにしたことを特徴とする。

【0025】

また本発明のガスタービン燃焼器の制御方法は、燃料を噴出する複数の燃料ノズルと前記複数の燃料ノズルに対応して略同軸に形成された燃焼用空気を噴出する複数の空気孔を配置した空気孔プレートとで構成したバーナと、前記バーナから噴出した燃料と燃焼用空気を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室を内部に形成する燃焼器ライナと、前記ライナおよび前記バーナを内包する外筒およびエンドカバーとを備えたガスタービン燃焼器であって、前記バーナはガスタービン燃焼器の中心軸上に中央バーナとして１個設置すると共に、前記中央バーナの外周側に外周バーナとして複数個設置しており、前記中央バーナ及び外周バーナを構成する複数の燃料ノズルに対応した複数の空気孔から形成される空気孔列を前記空気孔プレートにそれぞれ同心円状に複数列配設しており、前記空気孔プレートに同心円状に複数列配設した内周側の空気孔列に対応した前記中央バーナ及び外周バーナの各燃料ノズルに燃料を供給する内周燃料供給系統と、前記空気孔プレートに同心円状に複数列配設した外周側の空気孔列に対応した前記中央バーナ及び外周バーナの各燃料ノズルに燃料を供給する外周燃料供給系統を夫々配設し、前記外周バーナの中心軸上となる前記空気孔プレートの同心円の中心軸上に燃料を着火させる抵抗発熱体を配置したガスタービン燃焼器の制御方法において、前記外周バーナの抵抗発熱体に電圧を印加して前記抵抗発熱体の先端温度を高めて該抵抗発熱体に火炎の保炎点を形成させ、燃焼室で燃料を燃焼させるようにしたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、抵抗発熱体の先端を保炎の基点として火炎を形成して燃焼安定性を維持するとともに、ＮＯｘ排出量を低減できるガスタービン燃焼器及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】

【0027】

【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ガスタービンを示す全体構成図。

【図2】図１に示した第１実施例のガスタービン燃焼器を示す軸方向断面図。

【図3】図２に示した第１実施例のガスタービン燃焼器に備えられた空気孔プレートの正面図。

【図4】第１実施例のガスタービン燃焼器における抵抗発熱体先端温度に対する内部抵抗の変化及び定電圧印加時の電流特性を示す性能線図。

【図5】本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器を示す軸方向断面図。

【図6】図５に示した第２実施例のガスタービン燃焼器に備えられた空気孔プレートの正面図

【図7】図５に示した第２実施例のガスタービン燃焼器と比較例のガスタービン燃焼器におけるガスタービン回転数及びガスタービン負荷に対する燃料流量の変化、並びに燃焼形態を示す制御特性図。

【発明を実施するための形態】

【0028】

本発明の実施例であるガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法について図１〜図４を参照して以下に説明する。

【実施例1】

【0029】

本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法について図１〜図４を用いて説明する。

【0030】

図１は、本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器３を備えたガスタービンプラント１の概略構成図である。

【0031】

図１に示したように、本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器３を備えたガスタービンプラント１においては、圧縮機２で圧縮された圧縮空気１０２がディフューザー９を通過後、本実施例のガスタービン燃焼器３へ流入し、外筒１０とライナ１２の間を通過して流下する。

【0032】

圧縮空気１０２の一部はライナ１２の冷却空気１０３としてガスタービン燃焼器３の内部に形成された燃焼室５に流入する。

【0033】

そしてガスタービン燃焼器３の外筒１０とライナ１２の間を通過した圧縮空気１０２は、燃焼用空気１０４としてガスタービン燃焼器３に設置された空気孔プレート２０に形成された多数の空気孔２１に流入し、ガスタービン燃焼器３の燃焼室５に噴出する。

【0034】

燃焼用空気１０４は燃料ノズル２２から噴出する燃料と混合してガスタービン燃焼器３の燃焼室５で燃焼し、火炎を形成する。

【0035】

本実施例のガスタービンプラント１では、ガスタービン燃焼器３の燃焼室５で燃料を燃焼用空気１０４と混合して燃焼させ、前記燃焼室５で発生した高温高圧の燃焼ガス１１０をガスタービン燃焼器３からタービン４に流入させて前記タービン４を駆動し、このタービン４の回転動力で発電機（図示せず）を駆動して電力として取り出す。

【0036】

本実施例のガスタービン燃焼器３は、図１及び図２のガスタービン燃焼器３の部分拡大図にそれぞれ示すように、ガスタービン燃焼器３の中心軸上に備えられたバーナ８は、ガスタービン燃焼器３と概略同軸に配置されて燃料を噴出する複数の燃料ノズル２２と、前記燃料ノズル２２の下流側に位置した空気孔プレート２０に形成され、複数の燃料ノズル２２と対応して概略同軸となるように空気孔プレート２０の中心軸まわりに同心円状に１列目空気孔５１、２列目空気孔５２、及び３列目空気孔５３を順次備え、燃焼用空気を噴出する、例えば３列配列の複数の空気孔２１とから構成されている。

【0037】

そして、本実施例のガスタービン燃焼器３のバーナ８に燃料を供給する燃料供給系統は、ガスタービン燃焼器３の前記バーナ８を構成する複数の燃料ノズル２２のうち、空気孔プレート２０の内周側の空気孔列である１列目空気孔５１に対応した燃料ノズル２２に燃料を供給する燃料供給系統２０１と、空気孔プレート２０の外周側の空気孔列である２列目空気孔５２及び３列目空気孔５３に対応した燃料ノズル２２に燃料を供給する燃料供給系統２０２がそれぞれ配設されており、これらの燃料供給系統２０１及び燃料供給系統２０２は燃料遮断弁６０を備えた燃料供給系統２００から分岐して配設されている。

【0038】

燃料供給系統２０１および燃料供給系統２０２には燃料圧力調整弁６１ａ、６２ａをそれぞれ備えており、燃料供給系統２０１および燃料供給系統２０２を通じて供給する燃料の圧力を個別に制御できるように構成されている。

【0039】

また、燃料供給系統２０１および燃料供給系統２０２の前記燃料圧力調整弁６１ａ、６２ａの下流には燃料流量調整弁６１ｂ、６２ｂをそれぞれ備えており、燃料供給系統２０１および燃料供給系統２０２を通じて供給する燃料の流量を個別に制御できるように構成されている。

【0040】

本実施例のガスタービン燃焼器３に設けたバーナ８は複数本の燃料ノズル２２を備えており、それぞれの燃料ノズル２２は燃料を分配する燃料ヘッダー２３に接続されている。

【0041】

燃料ヘッダー２３はガスタービン燃焼器３のエンドカバー７の内部に設けられており、この燃料ヘッダー２３には燃料供給系統２０１、２０２から燃料がそれぞれ供給される。

【0042】

なお、本実施例のガスタービン燃焼器３では、燃料を燃料供給系統２０１および燃料供給系統２０２の２系統の燃料系統に分配して構成されているが、それ以上の数の燃料系統に分配して構成してもよい。

【0043】

このようにガスタービン燃焼器３に燃料を供給する燃料系統を複数に分配して構成すれば、燃料系統の系統数の増加により運転の自由度を拡大できる。

【0044】

本実施例のガスタービン燃焼器３では、燃料としてコークス炉ガスや製油所オフガス、石炭ガス化プラントで生成した生成ガスなどの水素含有燃料を使用でき、液化天然ガス（ＬＮＧ：Liquefied Natural Gas）をはじめとする多くのガス燃料にも適用できる。

【0045】

図３に本実施例のガスタービン燃焼器３に備えた前記バーナ８を、燃料ノズル２２と共に構成する該燃料ノズル２２の下流側に設置された空気孔プレート２０を示す。

【0046】

バーナ８を構成するこの空気孔プレート２０には、複数の燃料ノズル２２に対応して略同軸となるように形成された複数の空気孔２１が空気孔プレート２０の中心軸まわりに同心円状に複数列配置されており、図３に示した空気孔プレート２０の空気孔２１では３列配置された状況を示している。

【0047】

空気孔プレート２０に配置された複数列の各空気孔２１は、各列のピッチ円周方向にそれぞれ傾斜しており、前記各空気孔２１から噴出する燃焼用空気１０４に空気孔プレート２０の中心軸周りに旋回がかかるよう適度な旋回角を付与している。

【0048】

図２に示した本実施例のガスタービン燃焼器３の断面構造から理解できるように、ガスタービン燃焼器３に備えたバーナ８を構成する空気孔プレート２０に形成した空気孔２１は、ガスタービン燃焼器３の円筒状のライナ１２と同軸に配設されているため、空気孔プレート２０の各列の空気孔２１をピッチ円周方向にそれぞれ傾斜するように形成することで、前記各空気孔２１を通じてガスタービン燃焼器３の燃焼室５内に供給する燃焼用空気１０４に旋回を与えて、ライナ１２内部の燃焼室５の中心軸周りに燃焼用空気１０４の旋回が作用した循環渦８０を形成でき、ガスタービン燃焼器３の燃焼室５内に形成される火炎を安定化することが可能となる。

【0049】

尚、図３に示した空気孔プレート２０に配置された３列の各空気孔２１は、空気孔プレート２０の中心から半径方向外側に向けて、１列目空気孔５１、２列目空気孔５２、３列目空気孔５３から成る３列の空気孔２１の列で構成されているが、空気孔プレート２０には、同心円状に配置した空気孔２１の列が２列以上配設されていることが望ましく、更に、前記各列の空気孔２１の空気孔数は４孔以上備えていることが望ましい。

【0050】

図１及び図２に示した本実施例のガスタービン燃焼器３の部分拡大図において、ガスタービン燃焼器３のエンドカバー７には液体燃料の蒸発液滴を着火させる抵抗発熱体であるグロープラグ３００が設置されている。

【0051】

この抵抗発熱体であるグロープラグ３００は、燃料ノズル２２と略平行に該グロープラグ３００の中心軸が空気孔プレート２０に配設した１列目空気孔５１よりも軸心側となる空気孔プレート２０の中心軸上に位置するように配置し、前記グロープラグ３００先端が空気孔プレート２０を貫通して燃焼室５に面した空気孔プレート２０の出口面から前記燃焼室５側へ突出するように配設させている。

【0052】

即ち、本実施例のガスタービン燃焼器３では、空気孔プレート２０の中心上に液体燃料の蒸発液滴を着火させるグロープラグ３００を配置している構造である。

【0053】

次に、本実施例のガスタービン燃焼器３における作用効果を説明する。

【0054】

本実施例のガスタービン燃焼器３で燃料を燃焼させる場合、図２に示したようにガスタービン燃焼器３に設置した空気孔プレート２０の出口面に形成した空気孔２１の空気孔列間の下流に後流と呼ばれる循環流を伴う低流速領域９０が形成される。

【0055】

この低流速領域９０は燃焼室５の内部に形成された循環流８０である後流によって、空気孔プレート２０の各空気孔２１から噴出した燃料と空気の混合気を巻き込んでいるため、着火する可能性がある。

【0056】

本実施例のガスタービン燃焼器３において、例えば比較例のガスタービン燃焼器と同じ状況となるように、空気孔プレート２０上に設置した抵抗発熱体であるグロープラグ３００を稼働させていない態様のガスタービン燃焼器３では、水素含有燃料をガスタービン燃焼器３の燃料に使用する場合、水素は燃料を着火するために必要な最小着火エネルギが低く着火しやすくなる上に、可燃範囲が広がるため、ガスタービン燃焼器３の燃焼室５内の上流側に位置する空気孔プレート２０に火炎が接近しやすくなり、燃焼室５内に形成される火炎面８３ａが図２に破線で示した火炎面８３ｂへ変化することになる。

【0057】

また高温化したガスタービンに水素含有燃料を使用する場合も、圧縮空気１０２の温度が高くなるため、着火しやすくなる上に可燃範囲が広がり、火炎が空気孔プレート２０に接近しやすくなる。

【0058】

特にガス生成設備の負荷変動により燃料中の水素濃度が増加すると、水素は燃焼速度が速いため、空気孔プレート２０へ接近した火炎が空気孔プレート２０の空気孔列間の下流に形成する低流速領域９０の着火源となって混合気が着火する可能性が高くなる。

【0059】

仮に混合気に着火した場合、混合気の着火は圧力波を発生させ、低流速領域９０や空気孔２１及び燃料ノズル２２の出口における圧力が瞬間的に上昇する。

【0060】

燃料ノズル２２の出口の圧力が上昇すると、燃料供給差圧が低下して、空気に対する燃料の比率（以下、燃空比と呼ぶ）が減少する。

【0061】

この燃空比が減少する燃料希薄の条件では、火炎面における燃空比の減少に伴い燃焼速度が減少するため、火炎面は燃焼室５下流に後退する。火炎面が燃焼室５下流に後退すると、燃料供給差圧の低下は解消され、火炎面は再び空気孔プレート２０に接近する。

【0062】

この際、空気孔２１の空気孔列間の下流に形成された低流速領域９０に存在する混合気が着火し、上記の現象が繰り返された結果、圧力変動が周期的に発生する燃焼振動と呼ばれる不安定燃焼状態に陥る。

【0063】

また、燃焼振動発生時の火炎面は空気孔プレート２０出口面に周期的に接近しており、空気孔プレート２０の各空気孔２１から噴出した燃料と空気の混合気が、火炎面に到達するまでの距離が短くなる。

【0064】

混合気の混合度が低下すると、混合気中の局所的な燃空比が増加するため、空気孔プレート２０出口付近に局所高温部が発生し、周期的な熱負荷によりガスタービン燃焼器の構造物としての信頼性が低下するとともに、時間平均的なＮＯｘ排出量が増加することになる。

【0065】

そこで本実施例のガスタービン燃焼器３においては、前述した様に空気孔プレート２０の軸心となる同心円に配置された空気孔２１の同心円中心軸上に液体燃料の蒸発液滴を着火させる抵抗発熱体であるグロープラグ３００を設けた構成を採用し、制御装置４００の制御によって定電圧回路５００からグロープラグ３００に電圧を印加して該グロープラグ３００の先端温度を高め、グロープラグ３００の先端を保炎の基点として火炎を形成して燃料を燃焼させるようにしたことで、グロープラグ３００の先端が燃焼室５内に形成される火炎面８３ａの保炎点となり、空気孔プレート２０の出口面に対するグロープラグ３００の先端位置までの距離Ｌだけ火炎面８３ａと空気孔プレート２０出口面との間の距離を増加させている。

【0066】

燃焼室５内に形成される火炎面８３ａが空気孔プレート２０出口面から離れているほど、空気孔プレート２０出口面の下流で生じる低流速領域９０に存在する混合気が着火する確率が低下するため、ガスタービン燃焼器３の燃焼振動の発生を抑制することができる。

【0067】

また、燃焼室５内に形成される火炎面８３ａと空気孔プレート２０出口面との距離Ｌが増加することで、空気孔プレート２０の各空気孔２１から噴出した燃料と空気の混合気の混合度が増加し、混合気が火炎面８３ａに到達した際の燃空比は低下するため、局所高温部が減少することによりＮＯｘ排出量は低減する。

【0068】

同時に空気孔プレート２０が火炎面８３ａから受ける熱負荷も低下するため、ガスタービン燃焼器３の構造物の信頼性を確保することが可能となる。

【0069】

図４に本実施例のガスタービン燃焼器３の空気孔プレート２０の軸心に設置した抵抗発熱体であるグロープラグ３００の先端温度に対する内部抵抗値の変化と、定電圧印加時の電流特性を示す。

【0070】

図４に示した先端温度に対する内部抵抗値の変化と、定電圧印加時の電流特性から理解できるように、本実施例のガスタービン燃焼器３に設置した抵抗発熱体であるグロープラグ３００は、先端温度Ｔｐの増加に伴い内部抵抗Ｒｐが増加する特性を有している。

【0071】

したがってグロープラグ３００に制御装置４００の制御によって定電圧回路５００から一定の電圧を印加した場合、グロープラグ３００先端温度に応じて印加電流が変化し、（内部抵抗）×（印加電流）^２のジュール熱がグロープラグ３００先端から放出される。

【0072】

そのため、ガス生成設備の負荷変動により燃料中の水素濃度が減少し、目標温度Ｔｐよりガスタービン燃焼器３の火炎温度が低下する場合においても、目標温度Ｔｐを実現する一定電圧の印加電圧を抵抗発熱体であるグロープラグ３００に印加することにより、グロープラグ先端から放出するジュール熱が増加し、目標温度Ｔｐへグロープラグ３００の先端温度を高めることが可能である。

【0073】

また、グロープラグ３００の先端温度が目標温度Ｔｐを超える状況では、内部抵抗の増加によりジュール熱は著しく低下するため、一定電圧を印加してもグロープラグ３００の先端が内部回路の発熱により過熱されることはない。

【0074】

グロープラグ３００への印加電圧は、常に一定の電圧を加える、もしくは一定電圧を特定の周波数で間欠的に加えればよく、制御装置４００によってグロープラグ３００への印加電圧の電流値（印加電流）Ｉｐを出力として抽出して、定電圧回路５００の印加電圧を前記制御装置４００によってグロープラグ３００に対して一定の電圧を加える、もしくは一定電圧を特定の周波数で間欠的に加えるように制御することで、グロープラグ３００の先端温度及び火炎基部の温度を監視し、前記グロープラグ３００の先端温度を適切な温度に制御することが可能となる。

【0075】

また、ガスタービン燃焼器３の燃焼室５へ供給する燃焼用空気１０４の温度が低く、ガス燃料が着火困難な場合においても、制御装置４００で制御した定電圧回路５００の印加電圧をグロープラグ３００に一定電圧を印加することで、グロープラグ３００先端の温度を目的の燃焼ガス１１０と同等の温度まで加熱することができるため、グロープラグ３００先端を火炎の基点として安定に着火することが可能となる。

【0076】

なお、前記したグロープラグ３００に限らず、温度上昇に対して内部抵抗が増加する特性を有する高温部材であれば抵抗発熱体であるグロープラグ３００に代えて使用しても同様の作用効果が得られる。

【0077】

本実施例によれば、抵抗発熱体の先端を保炎の基点として火炎を形成して燃焼安定性を維持するとともに、ＮＯｘ排出量を低減できるガスタービン燃焼器及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】

【0078】

本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法について図５〜図７を用いて説明する。

【0079】

本実施例であるガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法は、図１〜図４に示した第１実施例のガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法と基本的な構成は類似しているので、両実施例に共通した構成の説明は省略し、相違する部分についてのみ以下に説明する。

【0080】

図５〜図７に示したように、本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器３においては、高水素濃度の水素含有燃料を燃料のガスタービン発電プラントや、大出力、高温化のガスタービン発電プラント等との多様な運用形態に対応するため、第１実施例のガスタービン燃焼器に示す概略同軸に配置された空気孔プレート２０に形成された３列の空気孔２１と燃料ノズル２２から構成されるバーナ８として、ガスタービン燃焼器３の軸心近傍の中央に１個の中央バーナ３２を配置し、ガスタービン燃焼器３の軸心の中央バーナ３２の周囲に６個の外周バーナ３３を配置した構造を採用することよって、多様なガスタービン負荷に対応できるガスタービン燃焼器３として構成されている。

【0081】

また、本実施例のガスタービン燃焼器３では、ガスタービン燃焼器３の軸心近傍の中央に設けられた中央バーナ３２の軸心中央にガスタービン起動用燃料ノズル２４を有しており、ガスタービン燃焼器３のエンドカバー７には６個の外周バーナ３３に対して抵抗発熱体であるグロープラグ３００がそれぞれ設置されている。

【0082】

そして前記グロープラグ３００は、６個の各外周バーナ３３において、燃料ノズル２２と略平行に該グロープラグ３００の中心軸が空気孔プレート２０に配設した１列目空気孔５１よりも軸心側となる空気孔プレート２０の中心軸上に位置するように配置し、前記グロープラグ３００先端が空気孔プレート２０を貫通して燃焼室５に面した空気孔プレート２０の出口面から前記燃焼室５側へ突出するように配設させている。即ち、本実施例のガスタービン燃焼器３では、空気孔プレート２０上に６個の各外周バーナ３３に対応してグロープラグ３００をそれぞれ配置している構造である。

【0083】

そして本実施例のガスタービン燃焼器３では、１個の中央バーナ３２と、６個の外周バーナ３３に供給する燃料系統を分割し、よりきめ細かく燃料配分を制御できるように工夫していることが第１実施例のガスタービン燃焼器とは異なっている。

【0084】

このため本実施例のガスタービン燃焼器３は、第１実施例のガスタービン燃焼器よりも高水素濃度の水素含有燃料を燃料とするガスタービン発電プラントや、大出力、高温化のガスタービン発電プラントに好適である。

【0085】

図６は本実施例のガスタービン燃焼器３の燃焼器軸方向断面を示す。図６に示した本実施例のガスタービン燃焼器３は、エンドカバー７、共通のバーナ８を構成する１個の中央バーナ３２及び６個の外周バーナ３３と、前記各バーナ３２、３３に対応して設置された燃料ノズル２２及び空気孔プレート２０の配置を示した部分断面構造である。

【0086】

本実施例のガスタービン燃焼器３では、図６に共通のバーナ８を構成する中央バーナ３２及び外周バーナ３３に対応して、空気孔プレート２０を燃焼室５側からみた正面図で示すように、第１実施例のガスタービン燃焼器３における空気孔プレート２０と同じ構成のものを複数個配置して構成している。

【0087】

すなわち、本実施例のガスタービン燃焼器３では、共通のバーナ８を構成するバーナとして、ガスタービン燃焼器３の中心に位置する１個の中央バーナ３２と、中央バーナ３２の外側に位置する６個の外周バーナ３３を備えている。

【0088】

そして前記した１個の中央バーナ３２と６個の外周バーナ３３に対応した空気孔プレート２０の構造として、図６に示したように前記空気孔プレート２０には複数の空気孔２１が、中央バーナ３２及び外周バーナ３３に対応した空気孔プレート２０の位置に、その中心軸まわりに同心円状に複数列それぞれ配置されており、図６に示した本実施例のガスタービン燃焼器３における空気孔プレート２０の空気孔２１では、１個の中央バーナ３２及び６個の外周バーナ３３に対応して空気孔２１を中心から半径方向外側に向けて、それぞれ、１列目空気孔５１、２列目空気孔５２、３列目空気孔５３から成る３列の空気孔２１の列で構成された構成を示している。

【0089】

更に、空気孔プレート２０に設けた各空気孔２１の中心軸は各列のピッチ円周方向に傾斜して形成されており、空気孔２１を通過した流れは空気孔２１の下流で螺旋状に旋回し、旋回流が形成される。

【0090】

本実施例のガスタービン燃焼器３は、図６に示すように中央バーナ３２は２つの燃料系統２０３、２０６に接続されており、また、６個の外周バーナ３３は、別の２つの燃料系統２０４、２０５にそれぞれ接続されており、それぞれ独立に燃料流量を制御できるようになっている。

【0091】

即ち、本実施例のガスタービン燃焼器３に燃料を供給する燃料供給系統は、ガスタービン燃焼器３の前記中央バーナ２３を構成する複数の燃料ノズル２２のうち、軸心に設置された起動用燃料ノズル２４に燃料を供給するガスタービン起動用燃料供給系統２０６と、空気孔プレート２０の２列目空気孔５２及び３列目空気孔５３に対応した燃料ノズル２２に燃料を供給する中央バーナ燃料供給系統２０３がそれぞれ配設されており、これらのガスタービン起動用燃料供給系統２０６及び中央バーナ燃料供給系統２０３は燃料遮断弁６０を備えた燃料供給系統２００から分岐して配設している。

【0092】

また、ガスタービン燃焼器３の前記外周バーナ３３を構成する複数の燃料ノズル２２のうち、空気孔プレート２０の１列目空気孔５１に対応した燃料ノズル２２に燃料を供給する外周バーナ内周燃料供給系統２０４と、複数の燃料ノズル２２のうち、空気孔プレート２０の２列目空気孔５２及び３列目空気孔５３に対応した燃料ノズル２２に燃料を供給する外周バーナ外周燃料供給系統２０５がそれぞれ配設されており、これらの外周バーナ内周燃料供給系統２０４及び外周バーナ外周燃料供給系統２０５は燃料遮断弁６０を備えた燃料供給系統２００から分岐して配設している。

【0093】

本実施例のガスタービン燃焼器３の軸心に１個備えた中央バーナ３２に対しては中央バーナ燃料系統２０３とガスタービン起動用燃料系統２０６が接続されており、主にガスタービンの起動運転に使用するとともに、負荷運転の際には燃焼器全体の燃焼安定性を確保するための運用をする。

【0094】

なお、本実施例のガスタービン燃焼器３ではガスタービン起動用燃料系統２０６に供給する燃料は軽油、重油をはじめとする液体燃料とする。

【0095】

一方、本実施例のガスタービン燃焼器３における中央バーナ３２の外周側に６個備えた外周バーナ３３には、空気孔プレート２０の１列目空気孔５１に対応した燃料ノズル２２に燃料を供給する外周バーナ内周燃料供給系統２０４と、空気孔プレート２０の２列目空気孔５２及び３列目空気孔５３に対応した燃料ノズル２２に燃料を供給する外周バーナ外周燃料供給系統２０５が接続されている。

【0096】

本実施例のガスタービン燃焼器３において、外周バーナ３３の空気孔プレート２０の１列目空気孔５１に対応した同心円上に配置された同軸噴流群は、火炎の起点を形成するので、特に燃焼安定性に関係する。

【0097】

そこで本実施例のガスタービン燃焼器３のように、外周バーナ３２の１列目空気孔５１（内周側）に対応した燃料ノズル２２に供給するため、外周バーナ内周燃料供給系統２０４を通じて供給する燃料流量を独立に制御することで、火炎の起点を形成でき、より広い負荷範囲に対して安定な燃焼を維持することができる。

【0098】

つまり、本実施例のガスタービン燃焼器３においては、１つの中央バーナ３２と、この中央バーナ３２の外周側に複数（６個）設置した外周バーナ３３を備える空気孔プレート２０に対して、各外周バーナ３３に同心円状に複数列（３列）設けられた空気孔２１の同心円中心軸上に液体燃料の蒸発液滴を着火させる抵抗発熱体であるグロープラグ３００の中心軸を設け、グロープラグ３００の先端が燃焼室５へ突出するように配設していることである。

【0099】

本実施例のガスタービン燃焼器３においても、図１〜図３に示した第１実施例のガスタービン燃焼器３と同様に、６項配設した各外周バーナ３３に同心円に配置された空気孔２１の同心円中心軸上に液体燃料の蒸発液滴を着火させる抵抗発熱体であるグロープラグ３００をそれぞれ設けた構成とすることで、各々の外周バーナ３３で第１実施例のガスタービン燃焼器３と同様の作用効果の他、以下の効果が得られる。

【0100】

図５及び図６に示した構成の本実施例のガスタービン燃焼器３と、この抵抗発熱体であるグロープラグ３００を備えていずに燃焼室の下流側に点火栓を備えた構成の比較例のガスタービン燃焼器におけるガスタービン回転数及びガスタービン負荷に対する燃料流量の変化、並びにガスタービン燃焼器の燃焼形態Ａ、Ｂ、Ｃを図７に示す。

【0101】

尚、図７の下部に示したガスタービン燃焼器の燃焼形態Ａ、Ｂ、Ｃにおいて、空気孔プレート２０に形成した中央バーナ３２の起動用燃料ノズル２４と各空気孔５２〜５３および外周バーナ３３の各空気孔５１〜５３をそれぞれ黒く表示しているのは、対応する前記燃料ノズルが稼働している状態を示している。

【0102】

図７に示したように、ガス燃料を燃焼する本実施例のガスタービン燃焼器３の中央バーナ３２および外周バーナ３３は、安定に運用できる範囲が液体燃料を拡散燃焼する起動用燃料ノズル２４に比較して狭いので、ガスタービンの回転数が定格まで昇速するまでは、図７にガスタービン燃焼器の燃焼形態Ａとして実線で示したように、ガスタービン起動用燃料供給系統２０６を通じて液体燃料を供給し、抵抗発熱体であるグロープラグ３００に制御装置４００の制御によって定電圧回路５００から電圧を印加して該グロープラグ３００の先端温度を高め、グロープラグ３００の先端を保炎の基点として火炎を形成して燃料を燃焼させ、中央バーナ３２の軸心に設置した起動用燃料ノズル２４を単独で稼働してガスタービン燃焼器３を起動する。

【0103】

次に、タービン回転数が定格まで昇速した以降のガスタービンの負荷が所定の部分負荷に達するまでのガスタービン燃焼器の運転は、燃焼形態Ａから切り替えて図７に実線で燃焼形態Ｂとして示したように、中央バーナ３２を構成する空気孔プレート２０の２列目空気孔５２及び３列目空気孔５３に対応した燃料ノズル２２に中央バーナ燃料供給系統２０３を通じて中央バーナ３２に燃料を供給し、同時に、６個の外周バーナ３３を構成する空気孔プレート２０の１列目空気孔５１に対応した燃料ノズル２２に外周バーナ内周燃料供給系統２０４を通じて外周バーナ３３の内周列に保炎に必要な燃料流量を供給して燃焼させる。

【0104】

更に、ガスタービンの負荷が所定の部分負荷から増加して定格負荷に達するまでのガスタービン燃焼器の運転は、燃焼形態Ｂからガスタービンが所定の部分負荷に到達した時点で切り替えて、図７に実線で燃焼形態Ｃとして示したように、中央バーナ３２を構成する空気孔プレート２０の２列目空気孔５２及び３列目空気孔５３に対応した燃料ノズル２２に中央バーナ燃料供給系統２０３を通じて燃料を供給して燃焼させる。

【0105】

同時に、６個の外周バーナ３３を構成する空気孔プレート２０の１列目空気孔５１に対応した燃料ノズル２２に外周バーナ内周燃料供給系統２０４を通じて外周バーナ３３の内周列に燃料を供給して燃焼させると共に、外周バーナ３３を構成する空気孔プレート２０の２列目空気孔５２及び３列目空気孔５３に対応した燃料ノズル２２に外周バーナ外周燃料供給系統２０５を通じて外周バーナ３３の外周列に燃料を供給して燃焼させて、外周バーナ３３の保炎を担う内周列の火炎を外周列に渡して、ガスタービン燃焼器の運転形態を燃焼形態Ｂから燃焼形態Ｃに切替える。

【0106】

そしてこの燃焼形態Ｃで定格負荷に至るまでガスタービン負荷を増加させて運転するので、ガスタービン燃焼器の前記燃焼形態Ｃがガスタービン燃焼器３の運用負荷帯となる。

【0107】

ところで、図７に破線で示した比較例のガスタービン燃焼器では、ガスタービン起動時に起動用燃料ノズルから液体燃料を燃焼室へ噴射し、点火栓の先端から発生する火花を用いて着火させる構成となっている。

【0108】

点火栓先端が常時燃焼室に突出した状態では信頼性が低下する可能性があるため、点火栓に設けた稼動部で着火時のみ点火栓を燃焼室へ挿入する構成となっている。

【0109】

そして比較例のガスタービン燃焼器では、ガスタービン回転数が図７に破線で燃焼形態Ａとして示したように、ガスタービンが定格まで昇速した後、ガス燃料の安定運用範囲に到達した段階で中央バーナ３２及び外周バーナ３３の内周列にガス燃料を供給して燃焼させ、その後、図７に破線で示したように、ガスタービン燃焼器を燃焼形態Ａから燃焼形態Ｂへ切替えてガスタービンの低負荷運転を行う。

【0110】

図７に破線で示した比較例のガスタービン燃焼器の運転形態においては、燃焼状態Ｂから燃焼状態Ｃへの切替えは、外周バーナ３３の外周列空気孔２１へ供給するガス燃料がガスタービンの負荷がある程度上昇した安定運用範囲に到達した後に行うので、この燃焼状態Ｃの領域が狭くなり、ガスタービン燃焼器の運用負荷帯が狭くならざるを得ない。

【0111】

これに対して、前述した図５及び図６に示した構成の本実施例のガスタービン燃焼器３においては、点火栓の設置は不要であり、外周バーナ３３の中心軸上に設けられた抵抗発熱体であるグロープラグ３００に制御装置４００の制御によって定電圧回路５００から電圧を印加して該グロープラグ３００の先端温度を高め、グロープラグ３００の先端を保炎の基点として火炎を形成するようにしているので、ガスタービン燃焼器３がガスタービンを昇速させる燃焼形態Ａの段階から、中央バーナ３２の起動用燃料ノズル２４から燃焼室５内に噴霧する液体燃料の液滴をグロープラグ３００によって着火させて燃焼させ、ガスタービンを昇速するガスタービン燃焼器３の燃焼形態Ａの運転を行っている。

【0112】

また本実施例のガスタービン燃焼器３では、抵抗発熱体であるグロープラグ３００は、燃焼室５の内部の外周側においてライナ１２近傍を通過する外側循環流８１によってグロープラグ３００の先端へ到達した液体燃料の蒸発液滴を着火させて燃焼させている。

【0113】

本実施例のガスタービン燃焼器３においては、図７に実線で示したように、タービン回転数が定格まで昇速した以降のガスタービン燃焼器３の運転は、比較例のガスタービン燃焼器と同様に、ガスタービンを定格速度まで昇速させた後に所望の部分負荷に達するまで運転させる燃焼形態Ｂにおいては、ガスタービン燃焼器３の中央バーナ３２と外周バーナ３３の内周列に保炎に必要な燃料流量を供給して燃焼させる。

【0114】

その後、ガスタービンが所望の部分負荷から定格負荷に至るまで運転させる燃焼形態Ｃにおいては、制御装置４００を制御して定電圧回路５００から抵抗発熱体のグロープラグ３００に継続して電圧を印加し、グロープラグ３００によって燃焼室５内に噴霧された燃料に着火させて燃焼させるので、ガスタービン燃焼器３の運転形態を、ガスタービンが所望の部分負荷に到達した時点で燃焼状態Ｂから、中央バーナ３２と外周バーナ３３の内周列及び外周列の全てに燃焼に必要な燃料流量を供給する燃焼状態Ｃの運転態様に切替えてガスタービン燃焼器３の運転を行う。

【0115】

この結果、図７に実線で示した本実施例のガスタービン燃焼器３においては、破線で示した比較例のガスタービン燃焼器と比べて、ガスタービン燃焼器３の運転を、より低いガスタービン負荷で燃焼状態Ｂから燃焼状態Ｃへの運転形態の切替えを行うことが可能となる。

【0116】

即ち、本実施例のガスタービン燃焼器３による運転では、制御装置４００の制御によって定電圧回路５００から抵抗発熱体であるグロープラグ３００に継続的に電圧を印加して該グロープラグ３００の先端温度を高めることにより、図５に示したようにガスタービン燃焼器３の燃焼室５の外周側でライナ１２近傍を通過する外側循環流８１によりグロープラグ３００先端へ到達した液体燃料の蒸発液滴を着火させることから、ガスタービン燃焼器３の運転形態を燃焼状態Ｂから燃焼状態Ｃへの切替えが、破線で示した比較例のガスタービン燃焼器の運転形態と比べて、実線で示した本実施例のガスタービン燃焼器３の運転形態では、より低い所望のガスタービン負荷で行うことが可能となる。

【0117】

そして、本実施例のガスタービン燃焼器３では、前記燃焼状態Ｃでガスタービンの負荷を所望の低負荷から定格負荷に至るまで運転を行うので、ガスタービン燃焼器の運用負荷帯を拡大させることが可能となる。

【0118】

また、図７に示した本実施例のガスタービン燃焼器３では、運転形態を燃焼状態Ｂから燃焼状態Ｃへの切替えにおいても、抵抗発熱体であるグロープラグ３００の先端の放熱で外周バーナ３３の外周列へ熱を供給できるため、比較例のガスタービン燃焼器に比べて、より低いガスタービン負荷の段階で、燃焼状態Ｂから燃焼状態Ｃへ運転形態の切替えが可能となるので、前記燃焼状態Ｃの運転形態におけるガスタービン燃焼器の運用負荷帯を拡大することができる。

【0119】

上記したように、抵抗発熱体であるグロープラグ３００を外周バーナ３３の同心円中心軸上に設けた本実施例のガスタービン燃焼器では、前述した第１実施例のガスタービン燃焼器の作用効果と同様に、抵抗発熱体の先端を保炎の基点として火炎を形成して燃焼安定性を維持するとともに、ＮＯｘ排出量を低減できるガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法が実現できる。

【0120】

本実施例のガスタービン燃焼器では、上記した作用効果に加えて、更に、ガスタービン燃焼器の運転形態である燃焼状態Ｂから燃焼状態Ｃへの切替え操作がガスタービン負荷が低負荷の段階で切り替えることが可能となるので、前記燃焼状態Ｃの領域が広がりガスタービン燃焼器の運用負荷帯をより拡大して運用することができる。

【0121】

尚、説明は省略するが、本実施例のガスタービン燃焼器においても、図４に示した抵抗発熱体であるグロープラグ３００の先端温度に対する内部抵抗値の変化と、定電圧印加時の電流特性は同じである。

【0122】

即ち、本実施例のガスタービン燃焼器３でも、ガスタービン燃焼器３の燃焼室５へ供給する燃焼用空気１０４の温度が低く、ガス燃料が着火困難な場合は、図５の本実施例のガスタービン燃焼器３の構成に示したように、制御装置４００で制御した定電圧回路５００の印加電圧を抵抗発熱体である前記グロープラグ３００に一定電圧を印加するように構成しているので、グロープラグ３００先端の温度を目的の燃焼ガス１１０と同等の温度まで加熱することができるため、抵抗発熱体３００の先端を火炎の基点として燃料に着火でき、燃料を安定して燃焼させることが可能となる。

【0123】

本実施例によれば、抵抗発熱体先端を保炎の基点として火炎を形成して燃焼安定性を維持するとともに、ＮＯｘ排出量を低減できるガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法が実現できる。

【0124】

本実施例によれば、更に、ガスタービン燃焼器の運転形態である燃焼状態Ｂから燃焼状態Ｃへの切替え操作がガスタービン負荷が低負荷の段階で切り替えることが可能となるので、前記燃焼状態Ｃの領域が広がりガスタービン燃焼器の運用負荷帯をより拡大して運用することができる。

【符号の説明】

【0125】

１：ガスタービンプラント、２：圧縮機、３：ガスタービン燃焼器、４：タービン、５：燃焼室、６：トランジションピース、７：エンドカバー、８：バーナ、９：ディフーザ、１０：外筒、１２：ライナ、２０：空気孔プレート、２１：空気孔、２２：燃料ノズル、２３：燃料ヘッダー、２４：起動用燃料ノズル、３２：中央バーナ、３３：外周バーナ、５１：１列目空気孔、５２：２列目空気孔、５３：３列目空気孔、６０：燃料遮断弁、６１ａ、６２ａ、：燃料圧力調整弁、６１ｂ、６２ｂ、：燃料流量調整弁、７０：淀み領域、８０：循環流、８１：外側循環流、８３ａ、８３ｂ：火炎面、９０：低流速領域、１０１：空気、１０２：圧縮空気、１０３：冷却空気、１０４：燃焼用空気、１１０：燃焼ガス、２００、２０１、２０２：燃料供給系統、２０３：中央バーナ燃料供給系統、２０４：外周バーナ内周燃料供給系統、２０５：外周バーナ外周燃料供給系統、２０６：ガスタービン起動用燃料供給系統、３００：グロープラグ、４００：制御装置、５００：定電圧回路。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】