JP6023566B2

JP6023566B2 - ガスタービン燃焼器及びその運転方法

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Publication number: JP6023566B2
Application number: JP2012257671A
Authority: JP
Inventors: 智広浅井; 林　明典; 林　　明典; 聡百々; 小泉　浩美; 浩美小泉; 恭大穐山
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2032-11-26
Also published as: JP2014105601A

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器及びその運転方法に関する。

近年、発電コストの低減、資源の有効利用、及び、地球温暖化防止の観点から、製鉄所で副生するコークス炉ガスや製油所で副生するオフガスなどの水素を含む水素含有燃料を有効利用することが検討されている。

例えば、ガスタービン発電プラントに水素含有燃料を利用すると、水素含有燃料は、燃焼時における二酸化炭素(Carbon Dioxide：CO₂)の排出量が少ないため、地球温暖化防止策として有効である。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（Integrated coal Gasification Combined Cycle：IGCC）においては、ガスタービンに供給する水素含有燃料中の炭素分を回収・貯留するシステム（Carbon Capture and Storage：CCS）を設けて、CO₂排出量を更に削減する方策も検討されている。

一方、水素含有燃料に含まれる水素は、可燃範囲が広く燃焼速度が速いため、ガスタービンの燃焼室内の壁面近傍で高温の火炎を形成し、燃焼器の信頼性を損なうことが懸念される。このような高温の火炎の局所的な形成を防止する手段としては、燃料を分散させ燃焼室内で均一に燃焼させる方法が有効である。

燃料の分散性を高めて高温の火炎の形成を防止し、ＮＯ_Ｘ排出量を低減する方法として、複数の燃料ノズルと複数の空気孔を備え、燃料流、および燃料流の周囲に形成された空気流を燃焼室に噴射するバーナを複数個配置した燃焼器が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１４８７３４号公報

上述した水素含有燃料をガスタービンの燃料として使用する場合、燃焼器内で着火に失敗すると、未燃焼の水素含有燃料が燃焼器から排出されて、下流側のタービン内に滞留する危険性が懸念される。このため、水素含有燃料を用いるガスタービンにおいては、水素を含まない起動用燃料（例えば、油燃料）で着火し、所定の部分負荷まで起動用燃料で運転し、所定の部分負荷において、起動用燃料から水素含有燃料に切り替え、この後、水素含有燃料により定格負荷まで負荷上昇させ、運転継続することが考えられる。

ところで、水素含有燃料である副生ガスは水素を３０％〜６０％含み、石炭ガス化ガスは水素を２５％〜９０％含む。また、これらの水素含有燃料の組成は、プラントの運転条件や大気条件に応じて幅広く変化する。このため、起動用燃料から水素含有燃料への切り替え中に、水素含有燃料の組成が幅広く変化すると、形成される火炎の状態が大きく変化するため、燃焼安定性が低下することが懸念される。

本発明は、上述の事柄に基づいてなされたものであって、その目的は、ガスタービンの燃料を起動用燃料から水素含有燃料への切り替え中に、水素含有燃料の組成が変化しても、燃焼安定性を確保し、安定して燃料を切り替えることのできるガスタービン燃焼器及びその運転方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、ガスタービンの起動過程に起動用燃料からガス燃料へ燃料切り替えを行うガスタービン燃焼器において、下流側の燃焼室に前記ガス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と前記燃焼室との間に設置され、前記燃焼室に圧縮空気を導く複数の空気孔が前記複数の燃料ノズルと同軸で複数の同心円状に配置された空気孔プレートとを備えたバーナと、前記バーナの軸中心に設けられ、前記起動用燃料を噴射する起動用燃料ノズルと、前記バーナへ前記ガス燃料を供給するガス供給配管と、前記起動用燃料ノズルへ前記起動用燃料を供給する起動用燃料供給配管と、前記ガス供給配管に設けられ、前記ガス燃料の供給流量を調整するガス燃料流量調節弁と、前記起動用燃料供給配管に設けられ、前記起動用燃料の供給流量を調整する起動用燃料流量調節弁と、前記ガス供給配管に設けられ、前記ガス燃料の温度を計測する温度検出器と、前記ガス供給配管に設けられ、前記ガス燃料の発熱量を計測する熱量計と、前記温度検出器と前記熱量計とが計測した前記ガス燃料の温度と発熱量とを取り込み、起動過程における起動用燃料からガス燃料への燃料切り替えの際に、前記ガス燃料の流量の時間変化率と前記起動用燃料流量の時間変化率とを演算し、各流量指令信号を算出し、前記ガス燃料流量調節弁と前記起動用燃料流量調節弁とへ各流量指令信号を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ガスタービンの燃料を起動用燃料から水素含有燃料への切り替え中に、水素含有燃料の組成が変化しても、燃焼安定性を確保し、安定して燃料を切り替えることができる。

本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第１の実施の形態を備えたガスタービンプラントの概略構成図である。本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第１の実施の形態におけるガスタービン回転数及び負荷に対する起動用燃料とガス燃料の流量変化を示す特性図である。本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第１の実施の形態を構成する制御装置の構成を示すブロック図である。本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第１の実施の形態を構成する制御装置の燃料切り替え処理を示す特性図である。本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第１の実施の形態を構成する制御装置の処理内容を示すフローチャート図である。本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第２の実施の形態を備えたガスタービンプラントの概略構成図である。本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第２の実施の形態を構成する制御装置の構成を示すブロック図である。本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第２の実施の形態を構成する制御装置の燃料切り替え処理を示す特性図である。

以下、本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第１の実施の形態を備えたガスタービンプラントの概略構成図である。図１において、ガスタービンプラント１は、主に、空気圧縮機２，燃焼器３，タービン４，及び発電機６から構成される。空気圧縮機２は、大気より空気１０１を吸入して圧縮し、圧縮空気１０２を生成し、生成した圧縮空気１０２を燃焼器３へ送る。燃焼器３は、空気圧縮機２が生成した圧縮空気１０２とガス燃料２００または液体燃料２１０とを混合燃焼させて燃焼ガス１１０を生成し、この燃焼ガス１１０をタービン４へ導出する。

燃焼器３から導かれた燃焼ガス１１０は、タービン４において、図示しない静翼を経て図示しない動翼に噴射され、タービン軸１０５を回転させる。タービン軸１０５の回転力によって、タービン４に接続される発電機４と空気圧縮機２とを駆動させる。燃焼ガス１１０は、エネルギをタービン４で回収された後に、図示しない排気ディフューザを経て、排気１１１として大気へ排出される。

発電機４は負荷検出器５０を備えている。この負荷検出器５０は、ガスタービン運転中の負荷を監視する。負荷検出器５０が計測したガスタービンの負荷の信号４００は、後述する制御装置５００に入力される。

燃焼器３は、略円筒構造に形成されていて、その側面を形成する燃焼器外筒１０と、燃焼器外筒１０の端部に設けた燃焼器エンドカバー１３と、燃焼器エンドカバー１３の内部側に設けたバーナ８と、燃焼器外筒１０の内周面とその外周面とで環状の空間を形成する主室ライナ１２と、ガス燃料２００または液体燃料２１０と圧縮空気１０２とを主室ライナ１２の内部で燃焼させる燃焼室５を備えている。

バーナ８は、燃焼器エンドカバー１３の内側に配置されていて、燃焼器３の軸中心に位置する油ノズル４０と、燃焼室５に燃焼空気１０２ａを導くための複数の空気孔２１を設けた空気孔プレート２０と、油ノズル４０の外周側であって、空気孔プレート２０の上流側に配置されて、ガス燃料２００を空気孔２１内に向けて噴射する複数個の燃料ノズル２２とを備えている。

空気孔プレート２０に複数個設けられた各空気孔２１と複数個設けられた各燃料ノズル２２とは１個ずつ対応させて略同軸上にそれぞれ配置されている。複数の空気孔２１は燃焼器３の軸を中心とする複数の同心円上に配置されていて、本実施の形態においては、２列の空気孔群を備えている。

空気圧縮機２から燃焼器３に供給される圧縮空気１０２のうち燃焼に用いられる燃焼用空気１０２ａは、燃焼器外筒１０の内周面と主室ライナ１２の外周面とで形成される環状の空間を通り、燃焼器エンドカバー１３によってせき止められ、空気孔プレート２０に開口した複数の空気孔２１から燃焼室５に流入するように構成されている。

また、圧縮空気１０２の一部は主室ライナ１２の壁面に設けた冷却孔から燃焼室５に流入し、主室ライナ１２を冷却する冷却空気１０３となる。

バーナ８に設けた複数の燃料ノズル２２は、燃焼器エンドカバー１３の外部から供給されるガス燃料２００を分配する燃料分配器２３と連結していて、複数の燃料ノズル２２から噴出したガス燃料２００は、空気孔プレート２０に設けた複数の空気孔２１によって、燃焼用空気１０２ａと混合しながら混合流となって燃焼室５へ供給され、燃焼室５で燃焼する。

本実施の形態における燃焼器３は、ガス燃料２００として、コークス炉ガス、製油所オフガス、石炭ガス化ガスなどの水素含有燃料や、天然ガスをはじめとするすべてのガス燃料を使用することができる。

水素含有燃料を燃料ガス２００として使用する場合、着火失敗すると爆発のリスクが生じる。このため、着火時から所定負荷までは、起動用燃料として、軽由、灯油、Ａ重油などの油燃料、もしくは天然ガスやプロパンなどのガス燃料を用いるのが一般的である。本実施の形態においては、水素含有燃料を燃料ガス２００として供給するまでは、起動用燃料として油燃料を燃焼器３の軸心に設置した油ノズル４０に供給して燃焼器３を起動する。

起動用燃料の系統は、起動用燃料供給源２１０から油ノズル４０へ起動用燃料２１０ａを供給する起動用燃料供給配管７０と、起動用燃料供給配管７０に設けた燃料遮断弁６５と流量調整弁６６とを備えている。起動用燃料供給源２１０からの油燃料は、起動用燃料供給配管７０と燃料遮断弁６５と流量調整弁６６とを介して起動用油燃料２１０ａとして燃焼器エンドカバー１３の取り合い口に導かれ、燃焼器エンドカバー１３の内部の流路を通過し、油ノズル４０を通って燃焼室５に噴出される。

ガス燃料の系統は、ガス燃料供給源２００から燃料分配器２３へガス燃料２００ａを供給するガス供給配管７１と、ガス供給配管７１に設けたガス燃料遮断弁６０とガス流量調節弁６１とを備えている。ガス燃料供給源２００からの水素含有燃料（ガス燃料）２００ｂは、ガス供給配管７１とガス遮断弁６０とガス流量調節弁６１とを介してガス燃料２００ａとして燃焼器エンドカバー１３の取り合い口に導かれ、燃焼器エンドカバー１３の内部の流路を通過し、燃料分配器２３から複数の燃料ノズル２２を通って燃焼室５に噴出される。

ガス燃料の系統において、ガス燃料供給源２００とガス遮断弁６０とを接続するガス供給配管７１の部位には、ガス燃料２００ｂの発熱量を計測する熱量計６００が設けられている。また、ガス流量調節弁６１と燃焼器エンドカバー１３の取り合い口とを接続するガス供給配管７１の部位には、ガス燃料２００ａの温度を計測する温度計６０２が設けられている。熱量計６００が計測したガス燃料２００ｂの発熱量の信号４０１と、温度計６０２が計測したガス燃料２００ａの温度の信号４０２は、制御装置５００に入力される。

制御装置５００は、上述した信号４００と４０１と４０２とを取り込み、これらの信号を基に後述する演算を実行し、流量調節弁６６とガス流量調節弁６１との開度を制御することで、ガス燃料２００ａと起動用油燃料２１０ａの各流量を調節制御する。

次に、ガスタービンの起動時の燃料流量について図２を用いて説明する。図２は本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第１の実施の形態におけるガスタービン回転数及び負荷に対する起動用燃料２１０ａとガス燃料２００ａの流量変化を示す特性図である。図２において、ガスタービンは、起動用燃料２１０による運転から開始し、所定の負荷条件において、起動用燃料２１０ａからガス燃料２００ａへ燃料切り替えを行う。ここで、ガスタービンの起動過程は、図２に示す（ａ）〜（ｅ）の５つのステップを経ることで、着火から定格負荷運転状態にまで達する。図中の（ａ）〜（ｅ）の状態を下記する。

（ａ）起動用燃料による着火
（ｂ）無負荷定格回転数（Full Speed No Load：ＦＳＮＬ）
（ｃ）燃料切り替え開始（部分負荷条件）
（ｄ）燃料切り替え完了
（ｅ）定格負荷
まず、ガスタービンは、例えば起動用モータ等により回転開始されて、着火速度まで、昇速される。この着火速度において、起動用燃料２１０ａが供給されて着火する（状態（ａ））。この後、起動用燃料２１０ａを増加させることで、タービン回転数を増加させて無負荷定格回転数（ＦＳＮＬ）まで到達させる（状態（ｂ））。この後、発電機６を電力系統に並列させるとともに、起動用燃料２１０を増加させることで、タービン負荷を所定の部分負荷まで到達させる。ここで、ガスタービンは起動用燃料焚きからガス燃料焚きへの燃料切り替えが可能となる（状態（ｃ））。燃料切り替え中（（ｃ）〜（ｄ））は、燃焼安定性確保のため、起動用燃料２１０ａを徐々に減らし、ガス燃料２００ａを増加させて燃料を切り替える（状態（ｄ））。燃料の切り替え完了後、ガス燃料２００ａをさらに増加させることで、タービン負荷を定格負荷まで到達させる（状態（ｅ））。

ここで、状態（ａ）〜状態（ｃ）が起動用燃料２１０ａの専焼状態であり、状態（ｃ）〜状態（ｄ）が起動用燃料２１０ａとガス燃料２００ａとの混焼状態である。また、状態（ｄ）〜状態（ｅ）がガス燃料２００ａの専焼状態である。状態（ｃ）〜状態（ｄ）の燃料切り替え中にガス燃料２００ａの組成が幅広く変化すると、燃焼安定性が低下することが懸念される。本実施の形態においては、このような燃料切り替え中のガス燃料の組成変化に対応できる制御装置５００を備えたガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。

次に、本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第１の実施の形態を構成する制御装置について図３乃至図５を用いて説明する。図３は本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第１の実施の形態を構成する制御装置の内容を示すブロック図、図４は本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第１の実施の形態を構成する制御装置の燃料切り替え処理を示す特性図、図５は本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第１の実施の形態を構成する制御装置の処理内容を示すフローチャート図である。図３乃至図５において、図１及び図２に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

制御装置５００は、負荷検出器５０が検出したガスタービンの負荷信号４００と、熱量計６００が検出したガス燃料２００ｂの発熱量信号４０１と、温度計６０２が検出したガス燃料２００ａの温度信号４０２とを取込む入力部と、これらの各信号を基に後述する演算処理を実行する演算部と、流量調節弁６６の駆動部とガス流量調節弁６１の駆動部とに演算部で算出した開度指令を例えば電流出力する出力部とを備えている。

演算部においては、図３に示すように、燃料切替え調整制御器５０１と、ガス燃料調節弁制御器５０２と、起動用燃料調節弁制御器５０３とを備えている。

燃料切替え調整制御器５０１は、ガスタービンの負荷信号Ｍｗ_０（４００）、ガス燃料２００ｂの発熱量信号Ｑ_０（４０１）、およびガス燃料２００ａの温度信号Ｔ_０（４０２）に基づき、燃料切り替えの間における燃焼安定性を確保するように、ガス燃料２００ａの流量の時間変化率、および起動用油燃料２１０ａの流量の時間変化率を演算する。具体的には、ガス燃料２００ｂにおける発熱量の基準値Ｑｓとガス燃料２００ａの温度の基準値Ｔｓとを予め定め、ガス燃料の性状（水素含有組成）がこれらの基準値の所定範囲内にある場合における各燃料の時間変化率を定めておき、検出したガス燃料２００ａの温度信号Ｔ_０及びガス燃料２００ｂの発熱量信号Ｑ_０と、これらの基準値との偏差に応じて、時間変化率を変更する。

さらに、図４を用いて制御装置５００の燃料切り替え処理の特性の設定について説明する。図４は、図２に示した状態（ｃ）〜状態（ｄ）の燃料切り替え期間におけるガス燃料２００ａと起動用油燃料２１０ａの流量の時間変化を示すもので、縦軸を燃料流量、横軸を時刻としている。ｔｃは状態（ｃ）の時刻をｔｄは状態（ｄ）の時刻を示している。ここで、起動用油燃料２１０ａの流量特性線の（イ）は、基準特性線であって、上述したガス燃料２００ａの性状（水素含有組成）が基準値の所定範囲内にある場合の時間変化率を示している。

ガス燃料２００ｂの発熱量Ｑ_０が基準値Ｑｓよりも低い、もしくはガス燃料２００ａの温度Ｔ_０が基準値Ｔｓよりも低い場合、燃料切り替え中の燃焼安定性を確保するためには、その低い分、多くの熱量を供給する必要がある。そこで、その熱量増加分を起動用油燃料２１０ａの流量増加で補う。燃料切替え調整制御器５０１が、発熱量信号Ｑ_０（４０１）と温度信号Ｔ_０（４０２）とを基に、起動用油燃料２１０ａの流量を増加させた流量特性線（ロ）を演算する。

一方、ガス燃料２００ｂの発熱量Ｑ_０が基準値Ｑｓよりも高い、もしくはガス燃料２００ａの温度Ｔ_０が基準値Ｔｓよりも高い場合、燃料切り替え中の燃焼安定性を確保するためには、その高い分、熱量を減少させる必要がある。そこで、その熱量減少分を起動用油燃料２１０ａの流量減少で対応する。燃料切替え調整制御器５０１が、発熱量信号Ｑ_０（４０１）と温度信号Ｔ_０（４０２）とを基に、起動用油燃料２１０ａの流量を減少させた流量特性線（ハ）を演算する。

図３に戻り、このようにして、算出された各燃料の流量時間変化率信号は、ガス燃料調節弁制御器５０２と起動用燃料調節弁制御器５０３とに出力される。

ガス燃料調節弁制御器５０２は、燃料切替え調整制御器５０１で演算した燃料流量時間変化率に基づいてガス燃料２００ａの流量が変化するように、ガス流量調節弁６１の開度指令を算出する。この開度指令は、例えば、電流信号に変換されて、ガス流量調節弁６１の駆動部に出力される。

起動用燃料調節弁制御器５０３は、燃料切替え調整制御器５０１で演算した燃料流量時間変化率に基づいて起動用油燃料２１０ａの流量が変化するように、流量調節弁６６の開度指令を算出する。この開度指令は、例えば、電流信号に変換されて、流量調節弁６６の駆動部に出力される。

次に、制御装置５００による燃料切り替えの制御の手順について図５を用いて説明する。
まず、制御装置５００は、負荷検出器５０が検出したガスタービンの負荷信号Ｍｗ_０（４００）と、熱量計６００が検出したガス燃料２００ｂの発熱量信号Ｑ_０（４０１）と、温度計６０２が検出したガス燃料２００ａの温度信号Ｔ_０（４０２）とを取込む（ステップＳ１）。

次に、制御装置５００は、ガスタービンの負荷信号Ｍｗ_０が、燃料切り替えを開始するために定めた負荷設定値Ｐｓ以上か否かの判断を行う（ステップＳ２）。ガスタービンの負荷信号Ｍｗ_０が、負荷設定値Ｐｓ以上の場合は、（ステップＳ３）に進み、それ以外の場合は、（ステップＳ１）へ戻る。

次に、制御装置５００は、取り込んだガス燃料２００ｂの発熱量Ｑ_０（４０１）とガス燃料２００ａの温度信号Ｔ_０（４０２）と予め設定された基準値Ｑｓ，Ｔｓとの偏差を算出する（ステップＳ３）。具体的には、燃料切替え調整制御器５０１において、以下の演算を行う。
Ｑ_０―Ｑｓ＝α１・・・（１）
Ｔ_０−Ｔｓ＝α２・・・（２）
ここで、α１は発熱量偏差、α２は温度偏差とする。

次に、制御装置５００は、ステップＳ３で算出した各偏差の和の絶対値が所定の値以下か否かを判断する（ステップＳ４）。各偏差の和の絶対値である｜Ｋ１×α１＋Ｋ２×α２｜が、所定の値ｄ以下の場合は、（ステップＳ５）に進み、それ以外の場合は、（ステップＳ６）へ進む。具体的には、燃料切替え調整制御器５０１において、以下の演算を行う。
｜Ｋ１×α１＋Ｋ２×α２｜≦ｄ・・・（３）
ここで、Ｋ１は第１変化率係数、Ｋ２は第２変化率係数であって、起動用燃料２１０ａでガス燃料２００ａにおける熱量の増減を補正する際に、発熱量の偏差と温度の偏差との基準を合わせるためのものである。また、ｄは、ガス燃料２００ａの性状（水素含有組成）が基準値の所定範囲内にあるか否かを判断する定数であって、予め試験等を実施して決められる。

（ステップＳ４）において、各偏差の和の絶対値が所定の値以下と判断された場合、制御装置５００は、燃料切り替えにおける起動用油燃料２１０ａの時間変化率を、予め定めた基準値とする（ステップＳ５）。具体的には、図４における基準特性線である流量特性線（イ）で制御する。

（ステップＳ４）において、各偏差の和の絶対値が所定の値超過と判断された場合、制御装置５００は、各偏差の和と所定の値との大小を判断する（ステップＳ６）。各偏差の和が所定の値ｄ超過の場合は（ステップＳ７）に進み、それ以外の場合は、（ステップＳ８）へ進む。具体的には、燃料切替え調整制御器５０１において、以下の演算を行う。
Ｋ１×α１＋Ｋ２×α２＞ｄ・・・（４）
（ステップＳ６）において、各偏差の和が所定の値超過と判断された場合、制御装置５００は、燃料切り替えにおける起動用油燃料２１０ａの時間変化率を、予め定めた基準値より起動用油燃料２１０ａが低下する値とする（ステップＳ７）。具体的には、図４における流量特性線（ハ）で制御する。

（ステップＳ６）において、各偏差の和が所定の値超過ではないと判断された場合、制御装置５００は、燃料切り替えにおける起動用油燃料２１０ａの時間変化率を、予め定めた基準値より起動用油燃料２１０ａが増加する値とする（ステップＳ８）。具体的には、図４における流量特性線（イ）で制御する。

（ステップＳ５）または（ステップＳ７）または（ステップＳ８）を実行した後、制御装置５００は、選択された流量特性線に従って起動用燃料流量調節弁６６へ開度指令を出力する（ステップＳ９）。具体的には、起動用燃料調節弁制御器５０３において、選択された流量特性線の時間変化率に基づいて起動用油燃料２１０ａの流量が変化するように、流量調節弁６６の開度指令を算出し、流量調節弁６６の駆動部に指令信号が出力される。

制御装置５００は、ガス燃料調節弁６１へ開度指令を出力する（ステップＳ１０）。具体的には、ガス燃料調節弁制御器５０２において、燃料切替え調整制御器５０１で演算した燃料流量時間変化率に基づいてガス燃料２００ａの流量が変化するように、ガス流量調節弁６１の開度指令を算出し、ガス流量調節弁６１の駆動部に指令信号が出力される。制御装置５００は（ステップＳ１０）を実行後、リターンする。

本実施の形態によれば、いわゆる同軸噴流クラスタバーナを備えたガスタービン燃焼器において、起動用油燃料２１０ａから水素含有燃料であるガス燃料２００ａへの燃料切り替えの際、ガス燃料２００ｂの発熱量Ｑ_０とガス燃料２００ａの温度Ｔ_０とを検出して、ガス燃料２００ａの熱量を演算して時間変化率を設定しているので、燃料切り替え中に、ガス燃料２００ａの水素含有燃料の組成が変化しても、燃焼安定性を確保し、安定して燃料を切り替えることができる。

上述した本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第１の実施の形態によれば、ガスタービンの燃料を起動用油燃料２１０ａから水素含有燃料であるガス燃料２００ａへの切り替え中に、ガス燃料２００ａの水素含有燃料の組成が変化しても、燃焼安定性を確保し、安定して燃料を切り替えることができる。

以下、本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図６は本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第２の実施の形態を備えたガスタービンプラントの概略構成図である。図６において、図１乃至図５に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第２の実施の形態において、ガスタービンプラントの構成は、大略第１の実施の形態と同じであるが、燃焼器において、第１の実施の形態のバーナを複数個配置して、いわゆるマルチクラスタバーナを備えた点が異なる。

図６において、燃焼器エンドカバー１３の内部側には、燃焼器３の軸中心部に位置する１個の中央バーナ３２と、中央バーナ３２の外周部に複数個の外周バーナ３３とを備えている。これらの中央バーナ３２と外周バーナ３３は、燃焼室５に燃焼空気１０２ａを導くための空気孔２１を複数個設けた空気孔プレート２０と、この空気孔プレート２０の上流側に配置されてガス燃料２００ａを空気孔２１内に向けて噴射する複数個の燃料ノズル２２とを備えている。

外周バーナ３３において、空気孔プレート２０に複数個設けられた各空気孔２１と複数個設けられた各燃料ノズル２２とは１個ずつ対応させて略同軸上にそれぞれ配置されている。複数の空気孔２１は外周バーナ３３の軸を中心とする複数の同心円上に配置されていて、本実施の形態においては、1列目空気孔群５１と1列目空気孔群５１の外周側に配置した２列目空気孔群５２と、２列目空気孔群５２の外周に配置した３列目空気孔群５３とを備えている。

複数の燃料ノズル２２は、燃焼器エンドカバー１３の外部から供給されるガス燃料２００ａ（２０２，２０３）を分配する燃料分配器２３と連結していて、複数の燃料ノズル２２から噴出したガス燃料２００ａ（２０２，２０３）は、空気孔プレート２０に設けた複数の空気孔２１によって、燃焼用空気１０２ａと混合しながら混合流となって燃焼室５へ供給され、燃焼室５で燃焼する。

中央バーナ３２は、燃焼器３の軸中心に位置する油ノズル４０と、油ノズル４０の外周側であって、空気孔プレート２０の上流側に配置されて、ガス燃料２００ａ（２０１）を空気孔２１内に向けて噴射する複数個の燃料ノズル２２とを備えている。

中央バーナ３２において、空気孔プレート２０に複数個設けられた各空気孔２１の上流側と複数個設けられた各燃料ノズル２２とは１個ずつ対応させてそれぞれ配置されている。また、空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１が、その中心軸に向けて凹状に傾斜した傾斜面を備えている。このため、各空気孔２１の下流側は、燃焼器３の軸中心に向かうように形成されている。

次に、燃焼器３の中央バーナ３２と外周バーナ３３とにガス燃料２００ａを供給する燃料系統について説明する。
起動用燃料の系統は、起動用燃料供給源２１０から油ノズル４０へ起動用燃料２１０ａを供給する起動用燃料供給配管７０と、起動用燃料供給配管７０に設けた燃料遮断弁６５と流量調整弁６６とを備えている。起動用燃料供給源２１０からの油燃料は、起動用燃料供給配管７０と燃料遮断弁６５と流量調整弁６６とを介して起動用油燃料２１０ａとして燃焼器エンドカバー１３の取り合い口に導かれ、燃焼器エンドカバー１３の内部の流路を通過し、油ノズル４０を通って燃焼室５に噴出される。

ガス燃料の系統は、ガス燃料供給源２００とガス遮断弁６０とを接続するガス供給配管７１ａと、ガス遮断弁６０の下流で３つの燃料系統に分岐し、中央バーナ３２の燃料分配器２３へＦ１ガス燃料２０１を供給するガス供給配管７２と、中央バーナの外周側に複数個設置した外周バーナ３３の燃料分配器２３へＦ２，Ｆ３ガス燃料２０２，２０３を供給するガス供給配管７３，７４と、ガス供給配管７２に設けたＦ１ガス流量調節弁６１ａと、ガス供給配管７３に設けたＦ２ガス流量調節弁６２と、ガス供給配管７４に設けたＦ３ガス流量調節弁６３とを備えている。なお、説明の便宜上、ガスＦ１ガス燃料２０１とＦ２ガス燃料２０２とＦ３ガス燃料の合計をガス燃料２００ａとする。

ガス燃料の系統において、ガス燃料供給源２００とガス遮断弁６０とを接続するガス供給配管７１ａには、ガス燃料２００ｂの発熱量を計測する熱量計６００が設けられている。また、Ｆ１ガス流量調節弁６１ａと燃焼器エンドカバー１３の取り合い口とを接続する燃料配管７２には、Ｆ１ガス燃料２０１の温度を計測する温度計６０１が設けられている。

同様に、Ｆ２ガス流量調節弁６２と燃焼器エンドカバー１３の取り合い口とを接続する燃料配管７３とＦ３ガス流量調節弁６３と燃焼器エンドカバー１３の取り合い口とを接続する燃料配管７４とには、Ｆ２ガス燃料２０２の温度を計測する温度計６０２とＦ３ガス燃料２０３の温度を計測する温度計６０３とがそれぞれ設けられている
熱量計６００が計測したガス燃料２００ｂの発熱量の信号４０１と、温度計６０１〜６０３が計測したＦ１〜Ｆ３ガス燃料２０１〜２０３の温度の信号４０２〜４０４は、制御装置５００に入力される。

本実施の形態のようなマルチクラスタバーナと複数の燃料系統を備えた燃焼器においては、これらバーナと燃料系統によって、燃焼器３の燃焼部分を複数に分割し、運転負荷に応じて燃焼部分を増減する。具体的には、起動時には、１つの燃料系統を使用して１部のバーナで燃料を燃焼させ、その後、燃料流量の増加に伴い、使用燃料系統を増やすと共に、未着火バーナに順次点火することで、燃焼部分を増加させる方法（燃焼切替え）が実行されている。

制御装置５００は、上述した信号４００〜４０４を取り込み、これらの信号を基に後述する演算を実行し、流量調節弁６６とＦ１〜Ｆ３ガス流量調節弁６１ａ，６２，６３との開度を制御することで、Ｆ１〜Ｆ３ガス燃料２０１〜２０３と起動用油燃料２１０ａの各流量を調節制御する。

次に、本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第２の実施の形態を構成する制御装置について図７及び図８を用いて説明する。図７は本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第２の実施の形態を構成する制御装置の内容を示すブロック図、図８は本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第２の実施の形態を構成する制御装置の燃料切り替え処理を示す特性図である。図７及び図８において、図１乃至図６に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

制御装置５００は、負荷検出器５０が検出したガスタービンの負荷信号４００と、熱量計６００が検出したガス燃料２００ｂの発熱量信号４０１と、温度計６０１が検出したＦ１ガス燃料２０１の温度信号４０２と、温度計６０２が検出したＦ２ガス燃料２０２の温度信号４０３と、温度計６０３が検出したＦ３ガス燃料２０３の温度信号４０４とを取込む入力部と、これらの各信号を基に後述する演算処理を実行する演算部と、流量調節弁６６の駆動部とＦ１〜Ｆ３ガス流量調節弁６１ａ，６２，６３の駆動部とに演算部で算出した開度指令を例えば電流出力する出力部とを備えている。

演算部においては、図７に示すように、燃料切替え調整制御器５０１ａと、Ｆ１ガス燃料調節弁制御器５０２ａと、Ｆ２ガス燃料調節弁制御器５０３ａと、Ｆ３ガス燃料調節弁制御器５０４ａと、起動用燃料調節弁制御器５０５ａとを備えている。

燃料切替え調整制御器５０１ａは、ガスタービンの負荷信号Ｍｗ_０（４００）、ガス燃料２００ｂの発熱量信号Ｑ_０（４０１）、Ｆ１ガス燃料２０１の温度信号Ｔ１_０（４０２）、Ｆ２ガス燃料２０２の温度信号Ｔ２_０（４０３）およびＦ３ガス燃料２０３の温度信号Ｔ３_０（４０４）に基づき、燃料切り替えの間における燃焼安定性を確保するように、Ｆ１〜Ｆ３ガス燃料２０１〜２０３の流量の時間変化率、および起動用油燃料２１０ａの流量の時間変化率を演算する。具体的には、ガス燃料２００ｂにおける発熱量の基準値ＱｓとＦ１〜Ｆ３ガス燃料２０１〜２０３の温度の基準値Ｔｓとを予め定め、ガス燃料２００ａの性状（水素含有組成）がこれらの基準値の所定範囲内にある場合における各燃料の時間変化率を定めておき、検出したＦ１〜Ｆ３ガス燃料２０１〜２０３の温度信号Ｔ１_０〜Ｔ３_０及びガス燃料２００ｂの発熱量信号Ｑ_０と、これらの基準値との偏差に応じて、時間変化率を変更する。

さらに、図８を用いて制御装置５００の燃料切り替え処理の特性の設定について説明する。図８は、図２に示した状態（ｃ）〜状態（ｄ）の燃料切り替え期間におけるガス燃料２００ａと起動用油燃料２１０ａの流量の時間変化を示すもので、縦軸を燃料流量、横軸を時刻としている。ｔｃは状態（ｃ）の時刻をｔｄは状態（ｄ）の時刻を示している。ここで、起動用油燃料２１０ａの流量特性線の（イ）は、基準特性線であって、上述したガス燃料の性状（水素含有組成）が基準値の所定範囲内にある場合の時間変化率を示している。

上述したように、本実施の形態においては、燃料切り替え中にガス燃料２００ａの流量が増加するが、このガス燃料２００ａの流量の増加に伴い、使用燃料系統を増やすと共に、未着火バーナに順次点火して燃焼部分を増加させる方法（燃焼切替え）も同時に実施されている。具体的には、時刻ｔｃから時刻ｔｃ１の間は、中央バーナ３２にのみＦ１ガス燃料２０１が定められた時間変化率で漸増供給される。ガス燃料２００ａの流量が第１燃焼切り替え設定燃料流量に到達すると（時刻ｔｃ１）、Ｆ２ガス燃料２０２が供給される外周バーナ３３が点火され、ガス燃料２００ａの流量をＦ１ガス燃料２０１とＦ２ガス燃料２０２とに分配する。

時刻ｔｃ１から時刻ｔｃ２の間は、Ｆ１ガス燃料２０１とＦ２ガス燃料２０２とが、定められた時間変化率で漸増供給される。ガス燃料２００ａの流量が第２燃焼切り替え設定燃料流量に到達すると（時刻ｔｃ２）、Ｆ３ガス燃料２０３が供給される外周バーナ３３が点火され、ガス燃料２００ａの流量をＦ１ガス燃料２０１とＦ２ガス燃料２０２とＦ３ガス燃料とに分配する。時刻ｔｃ２から時刻ｔｄの間は、Ｆ１ガス燃料２０１とＦ２ガス燃料２０２とＦ３ガス燃料２０３とが、定められた時間変化率で漸増供給される。

ガス燃料２００ｂの発熱量Ｑ_０が基準値Ｑｓよりも低い、もしくはＦ１ガス燃料２０１からＦ３ガス燃料２０３の温度Ｔ１_０〜Ｔ３_０が基準値Ｔｓよりも低い場合、燃料切り替え中の燃焼安定性を確保するためには、その低い分、多くの熱量を供給する必要がある。そこで、その熱量増加分を起動用油燃料２１０ａの流量増加で補う。燃料切替え調整制御器５０１が、発熱量信号Ｑ_０（４０１）と温度信号Ｔ１_０〜Ｔ３_０（４０２〜４０４）とを基に、起動用油燃料２１０ａの流量を増加させた流量特性線（ロ）を演算する。

一方、ガス燃料２００ｂの発熱量Ｑ_０が基準値Ｑｓよりも高い、もしくはＦ１ガス燃料２０１からＦ３ガス燃料２０３の温度Ｔ１_０〜Ｔ３_０が基準値Ｔｓよりも高い場合、燃料切り替え中の燃焼安定性を確保するためには、その高い分、熱量を減少させる必要がある。そこで、その熱量減少分を起動用油燃料２１０ａの流量減少で対応する。燃料切替え調整制御器５０１が、発熱量信号Ｑ_０（４０１）と温度信号Ｔ１_０〜Ｔ３_０（４０２〜４０４）とを基に、起動用油燃料２１０ａの流量を減少させた流量特性線（ハ）を演算する。

図７に戻り、このようにして、算出された各燃料の流量時間変化率信号は、Ｆ１ガス燃料調節弁制御器５０２ａとＦ２ガス燃料調節弁制御器５０３ａとＦ３ガス燃料調節弁制御器５０４ａと起動用燃料調節弁制御器５０５ａとに出力される。

Ｆ１ガス燃料調節弁制御器５０２ａは、燃料切替え調整制御器５０１ａで演算した燃料流量時間変化率に基づいてＦ１ガス燃料２０１の流量が変化するように、Ｆ１ガス流量調節弁６１ａの開度指令を算出する。この開度指令は、例えば、電流信号に変換されて、Ｆ１ガス流量調節弁６１ａの駆動部に出力される。

Ｆ２ガス燃料調節弁制御器５０３ａは、燃料切替え調整制御器５０１ａで演算した燃料流量時間変化率に基づいてＦ２ガス燃料２０２の流量が変化するように、Ｆ２ガス流量調節弁６２の開度指令を算出する。この開度指令は、例えば、電流信号に変換されて、Ｆ２ガス流量調節弁６２の駆動部に出力される。

Ｆ３ガス燃料調節弁制御器５０４ａは、燃料切替え調整制御器５０１ａで演算した燃料流量時間変化率に基づいてＦ３ガス燃料２０３の流量が変化するように、Ｆ３ガス流量調節弁６３の開度指令を算出する。この開度指令は、例えば、電流信号に変換されて、Ｆ３ガス流量調節弁６３の駆動部に出力される。

起動用燃料調節弁制御器５０５ａは、燃料切替え調整制御器５０１で演算した燃料流量時間変化率に基づいて起動用油燃料２１０ａの流量が変化するように、流量調節弁６６の開度指令を算出する。この開度指令は、例えば、電流信号に変換されて、流量調節弁６６の駆動部に出力される。

本実施の形態によれば、いわゆるマルチクラスタバーナを備えたガスタービン燃焼器において、起動用油燃料２１０ａから水素含有燃料であるガス燃料２００ａへの燃料切り替えの際、ガス燃料２００ｂの発熱量Ｑ_０とＦ１〜Ｆ３ガス燃料２０１〜２０３の温度Ｔ１_０〜Ｔ３_０とを検出して、Ｆ１〜Ｆ３ガス燃料２０１〜２０３の熱量を演算して時間変化率を設定しているので、燃料切り替え中に、ガス燃料２００ａの水素含有燃料の組成が変化しても、燃焼安定性を確保し、安定して燃料を切り替えることができる。

上述した本発明のガスタービン燃焼器及びその運転方法の第２の実施の形態によれば、起動用油燃料２１０ａから水素含有燃料であるガス燃料２００ａへの切り替え中に、ガス燃料２００ａの水素含有燃料の組成が変化しても、燃焼安定性を確保し、安定して燃料を切り替えることができる。

１ガスタービンプラント
２空気圧縮機
３燃焼器
４タービン
５燃焼室
６発電機
８バーナ
１０外筒
１２主室ライナ
１３燃焼器エンドカバー
２０空気孔プレート
２１空気孔
２２燃料ノズル
２３燃料分配器
３２中央バーナ
３３外周バーナ
４０油ノズル
５０負荷検出器
５１１列目空気孔
５２２列目空気孔
５３３列目空気孔
６０燃料遮断弁
６１ガス流量調節弁
６１ａＦ１ガス流量調節弁
６２Ｆ２ガス流量調節弁
６３Ｆ３ガス流量調節弁
６６流量調節弁
１０１空気
１０２圧縮空気
１０３冷却空気
１１０燃焼ガス
１１１排気ガス
２００ａガス燃料
２１０ａ起動用油燃料
３０１空気孔プレート燃焼室側表面
４００ガスタービン負荷の計測値信号
４０１燃料発熱量の計測値信号
４０２燃料温度の計測信号
５００制御装置
５０１燃料切替え調整制御器
５０２ガス燃料調節弁制御器
５０３起動用燃料調節弁制御器
５０１ａ燃料切替え調整制御器
５０２ａＦ１ガス燃料調節弁制御器
５０３ａＦ２ガス燃料調節弁制御器
５０４ａＦ３ガス燃料調節弁制御器
５０５ａ起動用燃料調節弁制御器
６００熱量計
６０１温度計

Claims

ガスタービンの起動過程に起動用燃料からガス燃料へ燃料切り替えを行うガスタービン燃焼器において、
下流側の燃焼室に前記ガス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と前記燃焼室との間に設置され、前記燃焼室に圧縮空気を導く複数の空気孔が前記複数の燃料ノズルと同軸で複数の同心円状に配置された空気孔プレートとを備えたバーナと、
前記バーナの軸中心に設けられ、前記起動用燃料を噴射する起動用燃料ノズルと、
前記バーナへ前記ガス燃料を供給するガス供給配管と、
前記起動用燃料ノズルへ前記起動用燃料を供給する起動用燃料供給配管と、
前記ガス供給配管に設けられ、前記ガス燃料の供給流量を調整するガス燃料流量調節弁と、
前記起動用燃料供給配管に設けられ、前記起動用燃料の供給流量を調整する起動用燃料流量調節弁と、
前記ガス供給配管に設けられ、前記ガス燃料の温度を計測する温度検出器と、
前記ガス供給配管に設けられ、前記ガス燃料の発熱量を計測する熱量計と、
前記温度検出器と前記熱量計とが計測した前記ガス燃料の温度と発熱量とを取り込み、起動過程における起動用燃料からガス燃料への燃料切り替えの際に、前記ガス燃料の流量の時間変化率と前記起動用燃料の流量の時間変化率とを演算し、各流量指令信号を算出し、前記ガス燃料流量調節弁と前記起動用燃料流量調節弁とへ各流量指令信号を出力する制御装置とを備えた
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
ガスタービンの起動過程に起動用燃料からガス燃料へ燃料切り替えを行うガスタービン燃焼器において、
下流側の燃焼室に前記ガス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と前記燃焼室との間に設置され、前記燃焼室に圧縮空気を導く複数の空気孔が前記複数の燃料ノズルと同軸で複数の同心円状に配置された空気孔プレートとを備え、前記ガスタービン燃焼器の軸中心部に配置された中央バーナと、
下流側の燃焼室に前記ガス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と前記燃焼室との間に設置され、前記燃焼室に圧縮空気を導く複数の空気孔が前記複数の燃料ノズルと同軸で複数の同心円状に配置された空気孔プレートとを備え、前記中央バーナの外周部に複数個配置された外周バーナと、
前記中央バーナの軸中心に設けられ、前記起動用燃料を噴射する起動用燃料ノズルと、
前記複数の外周バーナと前記中央バーナとへ前記ガス燃料をそれぞれ供給する複数のガス供給配管と、
前記起動用燃料ノズルへ前記起動用燃料を供給する起動用燃料供給配管と、
前記複数のガス供給配管に設けられ、前記ガス燃料の供給流量をそれぞれ調整する複数のガス燃料流量調節弁と、
前記起動用燃料供給配管に設けられ、前記起動用燃料の供給流量を調整する起動用燃料流量調節弁と、
前記複数のガス供給配管に設けられ、前記ガス燃料の温度をそれぞれ計測する複数の温度検出器と、
前記複数のガス供給配管の供給元に設けられ、前記供給元のガス燃料の発熱量を計測する熱量計と、
前記複数の温度検出器と前記熱量計とが計測した前記ガス燃料の温度と発熱量とを取り込み、起動過程における起動用燃料からガス燃料への燃料切り替えの際に、前記ガス燃料の流量の時間変化率と前記起動用燃料の流量の時間変化率とを演算し、各流量指令信号を算出し、前記複数のガス燃料流量調節弁と前記起動用燃料流量調節弁とへ各流量指令信号を出力する制御装置とを備えた
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１または２に記載のガスタービン燃焼器において、
前記制御装置は、予め前記ガス燃料の温度の基準値と発熱量の基準値とを設定し、これらの基準値と前記温度検出器と前記熱量計とが計測した前記ガス燃料の温度と発熱量との偏差に応じて、前記ガス燃料の流量の時間変化率と前記起動用燃料の流量の時間変化とを変更する
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１または２に記載のガスタービン燃焼器において、
前記制御装置は、予め前記ガス燃料の温度の基準値と発熱量の基準値とを設定し、これらの基準値に対して前記温度検出器と前記熱量計とが計測した前記ガス燃料の温度と発熱量とが低い場合には、前記起動用燃料の流量が増加する時間変化率に変更する
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１または２に記載のガスタービン燃焼器において、
前記制御装置は、予め前記ガス燃料の温度の基準値と発熱量の基準値とを設定し、これらの基準値に対して前記温度検出器と前記熱量計とが計測した前記ガス燃料の温度と発熱量とが高い場合には、前記起動用燃料の流量が減少する時間変化率に変更する
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
下流側の燃焼室にガス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と前記燃焼室との間に設置され、前記燃焼室に圧縮空気を導く複数の空気孔が前記複数の燃料ノズルと同軸で複数の同心円状に配置された空気孔プレートとを備えたバーナと、
前記バーナの軸中心に設けられ、起動用燃料を噴射する起動用燃料ノズルと、
前記バーナへ前記ガス燃料を供給するガス供給配管と、
前記起動用燃料ノズルへ前記起動用燃料を供給する起動用燃料供給配管と、
前記ガス供給配管に設けられ、前記ガス燃料の供給流量を調整するガス燃料流量調節弁と、
前記起動用燃料供給配管に設けられ、前記起動用燃料の供給流量を調整する起動用燃料流量調節弁と、
前記ガス供給配管に設けられ、前記ガス燃料の温度を計測する温度検出器と、
前記ガス供給配管に設けられ、前記ガス燃料の発熱量を計測する熱量計とを備え、起動過程に起動用燃料からガス燃料へ燃料切り替えを行うガスタービン燃焼器の運転方法であって、
前記温度検出器と前記熱量計とが計測した前記ガス燃料の温度と発熱量とを取り込むステップと、起動過程における起動用燃料からガス燃料への燃料切り替え開始を判断するステップと、前記ガス燃料の流量の時間変化率と前記起動用燃料の流量の時間変化率とを演算し、各流量指令信号を算出するステップと、前記ガス燃料流量調節弁と前記起動用燃料流量調節弁とへ各流量指令信号を出力するステップとを備えた
ことを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方法。