JP4246874B2 - 多機能付加型水噴射マニホールド及びその操作方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業用ガスタービンの運転／停止過程において、ガスタービン燃焼ガスの低ＮＯｘ化を実現するために、ガスタービンの燃焼温度を下げるべくガスタービン燃焼室へ供給するようにした水が、水の供給を止めても水頭圧によりガスタービン内に侵入するのを防止し、かつドレン弁にゴミがかみ込んだ際、高温車室内の高温高圧の空気が、水の供給が止められて内圧が低下した水噴射マニホールド内に逆流しない機能を有する多機能付加型水噴射マニホールド及びその操作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業用ガスタービンとして使用される、油焚き専焼の燃焼器又は油焚き−ガス焚き混焼の燃焼器において低ＮＯｘ化を実現する為に、燃料に水を混入し又は燃焼ゾーンに水噴射を行い、火炎の温度を低減することが一般的に行なわれている。
このうち、油焚き専焼の火炎の温度を低減するものとしては、本出願人により特願平１１−１５９７５６号「油焚きＤＬＮ燃焼器の水噴射制御装置」が提案されている。
【０００３】
すなわち、ガスタービンに用いられる燃焼器が、油焚予混合燃焼器（Ｄｒｙ Ｌｏｗ ＮＯｘ Ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ）の水噴射制御装置において、燃料中に噴射する水量の制御を燃料流量に応じて正確に制御するために、パイロット系統、メインＡ，Ｂ系統が流量調整弁を介して設けられ、油燃料が供給される系統のうちのメインＡ，Ｂ系統には流量検出器、水噴射流量調整弁を備えた水噴射系統が設けられ、水噴射流量制御回路により弁が制御され、水噴射量を制御するようにしている。
このために、制御回路には燃料流量制御信号、水流量検出器の検出信号、車室圧力、水噴射供給圧力（計画値）が入力され、油燃料流量に比例した弁の開度が先行的に算出され、検出器からのフィードバック信号によりこの算出値を補正して、弁を制御するようにしているので油燃料流量に応じて迅速な水噴射量が制御され、燃焼により生じるＮＯｘ量を低減できるようにしている。
【０００４】
また、従来の油焚き−ガス焚き混焼の拡散型ガスタービン燃焼器においても、ＮＯｘ量を低減するために、ガスタービンの部分図であり軸心よりも上方を断面図で示し、下方を側面図で示すようにした図３に示すように、燃焼器１の近傍にガスタービン筒体を取り巻いて、直径が５〜６ｍ円環状の水噴射マニホールド２が設けられ、周方向に１０数個から２０数個配置された各燃焼器１の運転時の火炎に水を噴射して、燃焼温度が低くなるようにしてＮＯｘの発生量を少なくするようにしている。
【０００５】
この水噴射マニホールド２は、ブロック図である図４に示すように、後述する水穴１６が小径のためにノズル差圧約４０〜５０ｋｇ／ｃｍ2 ｇと燃焼器１の燃焼ガスを発生させる区画（以下車室という）の圧力１３〜２０ｋｇ／ｃｍ2 ｇの合計圧力である５３〜７０ｋｇ／ｃｍ2 ｇに達する高圧の水を供給する水供給管３に、圧縮空気管４、ドレン管５および枝管６がそれぞれ連結されており、上述したように水噴射マニホールド２から燃焼器１内の火炎に水を噴射し、燃焼器１における断熱火炎温度を低くして、燃焼ガスを低ＮＯｘ化するとともに、停止時には内部の水を抜き出すようにしている。
このために、水供給管３には、水噴射ポンプ７、流量調整弁８、および遮断弁９が介装されるとともに、スイープ空気供給弁１０、逆止弁１１を介装した圧縮空気管４と途中で連結され、水噴射マニホールド２に火炎冷却用の水を供給できるようにするとともに、水噴射穴目塞まり防止（スイープ）用の圧縮空気を供給できるようにしている。
【０００６】
また、ドレン管５は途中にドレン弁１２が介装されて、水噴射マニホールド２の下端部に連結されて、ガスタービンへの水噴射が不必要なときには、水噴射マニホールド２から水抜きを行えるようにしている。
さらに、水噴射マニホールド２と燃焼器１との間には、１０数ｍｍφの枝管６が設けられているだけで、この枝管６には、特に弁等の車室内と水噴射マニホールド２とを遮断するものは、特に設けるようにはしていない。
【０００７】
また、圧縮空気管４には、スイープ空気供給弁１０と逆止弁１１が介装され、油焚き運転を停止した場合、後述する噴射ノズル１７の構造から明らかなように、水穴１６まで燃料油がたれ、高温環境下でカーボナイズして、水穴１６を閉鎖するのを防止するために、油焚き運転停止後、スイープ空気供給弁１０を開放することにより水穴１６までたれた燃料油を車室内に吹き飛ばすようにしている。
【０００８】
従来の水噴射装置は、上述のように構成されており、通常、ガスタービンが着火した後、無負荷（Ｎｏ Ｌｏａｄ）又はある低負荷から水噴射を開始し、負荷の増加に応じて投入水量を増加し、ガスタービンの断熱火炎温度を下げ、断熱火炎温度が高くなるにつれて増大する出口ＮＯｘをできるだけ均一となる様制御している。
一方、停止時においては、最大負荷（Ｆｕｌｌ Ｌｏａｄ）から負荷を降下すると同時に投入水量を減じ、燃料“断”と同時にドレン弁１２を開放することで車室残圧６〜１０ｋｇ／ｃｍ2 ｇの圧力空気を利用して、瞬時に水噴射マニホールド２内に溜った水を抜く方法を採用していた。
【０００９】
すなわち、ガスタービンを油焚きのみでＮｏ ＬｏａｄからＦｕｌｌ Ｌｏａｄまで運転する場合には、図５の横軸の右向きの矢印で示すように着火後のＮｏＬｏａｄのａの状態から液体燃料入熱量の増加、換言すれば、油焚き負荷の増加ａ→ｂ→ｃ→ｄ→ｅにつれて投入水量を増加し、Ｆｕｌｌ Ｌｏａｄ迄投入水量を増やし、また、Ｆｕｌｌ Ｌｏａｄから負荷を降下させるときには、左向きの矢印で示すように、ｅ→ｄ→ｃ→ｂ→ａと投入水量を減少させるようにしている。
【００１０】
さらに、ガスタービンを油焚きとガス焚きの混焼運転するときには、
ｉ）一定負荷、例えば、ｂ−Ｌｏａｄまでガス焚き運転を行い、ｂ−Ｌｏａｄに達した時点でガス焚きに加えて油焚きを行う混焼、すなわち、図３で示すｇ→ｈ→ｉに沿って混焼によりＬｏａｄを増加させて、このＬｏａｄの増加につれて投入水量を増加させ、Ｆｕｌｌ Ｌｏａｄ迄投入水量を増やし、またＦｕｌｌ ＬｏａｄからＬｏａｄを降下させるときには、ｉ→ｈ→ｇで示すように、燃料油入熱量をまず減少させてＦｕｌｌ Ｌｏａｄからｂ−ＬｏａｄまでＬｏａｄを減少させ、次いでガス燃料入熱量を減少させることにより、ｂ−ＬｏａｄからＮｏ ＬｏａｄまでＬｏａｄを減少させ、このＬｏａｄの減少と共に投入水量を減少させる方法、又はｉｉ）ガス着火後昇速し、Ｎｏ ＬｏａｄからＦｕｌｌ Ｌｏａｄまで混焼によりＬｏａｄをｇ→ｆ→ｋと増加させて、このＬｏａｄの増加につれて投入水量を増加させ、またＬｏａｄを降下させるときには、ｋ→ｆ→ｇとＬｏａｄの減少につれて投入水量を減少させる方法等が採用されている。
【００１１】
なお、図５においては、Ｆｕｌｌ Ｌｏａｄにおけるｋ点はガス燃料入熱量を７０％、液体燃料入熱量を３０％の場合を示しているが、この入熱量の比は自在に変えることが出来るが、特に経済性等を考慮して、ガス燃料入熱量と液体燃料入熱量の比がＦｕｌｌ Ｌｏａｄにおいて７０／３０〜３０／７０になるようにしている。
【００１２】
また、燃焼器１内に水を噴射する噴射ノズル１７は、図６に示すように構成されている。
すなわち、噴射ノズル１７の軸心部には、１次スワラー、２次スワラーで旋回させられている空気と共に、燃料油を燃焼室内に噴射する油穴１４が設けられ、油穴１４の外周側には周方向に９０°の角度を設けて水噴射を行う水穴１６が設けられている。
さらに、油穴１４の外周には１２個のガス穴１３が周方向に等ピッチに配置されて燃焼室内に開口するとともに、噴射ノズル１７の最外周部には前面で燃焼する火炎に旋回力を付与するスワラー１５が設けられている。
【００１３】
以上、燃焼室内の火炎温度を低くして、低ＮＯｘ化するための水噴射を行う水噴射マニホールド２、混焼ガスタービンにおいて従来から行われている水噴射の方法および水噴射を行う噴射ノズルについて説明したが、従来の水噴射マニホールド２においては、水噴射ポンプ７で加圧された水は、流量調整弁８で流量コントロールされ、遮断弁９を介し水噴射マニホールド２に入り、この水噴射マニホールド２から各燃焼器１へ枝管６を介して、ガスタービンの負荷に対応した量の水を燃焼器１内に噴射して、高温で燃焼している火炎温度を下げ、燃料ガス中のＮＯｘ量を低下させる。
【００１４】
また、水噴射マニホールド２が５〜６ｍにもなることから、水噴射マニホールド２の上端と下端とは５〜６ｍの水頭が生じるが、ノズル差圧が４０〜５０ｋｇ／ｃｍ2 ｇであり運転中は充分に微粒化された水が供給される。
【００１５】
さらに、ガスタービン停止時には、水噴射マニホールド２に溜った水を抜くためのドレン弁１２が設置され、タービン停止と同時に遮断弁９を閉鎖し、ドレン弁１２を開にして、水噴射マニホールド２に溜った水を解列と同時に車室残圧を利用して抜く様にしている。
【００１６】
しかしながら、近年上述した油専焼及び混燃ガスタービンに使用されている従来型水噴射マニホールドでは、以下の技術的課題が顕著となって来ている。
すなわち、ドレン弁１２から排出されるドレンは側溝等に排出されることが多く、このためにドレン排出時にドレン弁１２にごみをかみ込むことがある。
このように、ドレン弁１２にごみがかみ込んだ場合、ドレンラインから大気に逃げるわずかな通路が形成される。
【００１７】
ガスタービン運転時のように、水噴射を実施し、水噴射マニホールド２の内圧が１０〜１２ｋｇ／ｃｍ2 Ｇにもなる車室内圧より大きい場合は、ドレンラインからわずかな水が漏れるに過ぎず問題はないが、ある負荷で運転しているときに、何らかの要因で水噴射“断”とした場合には、水噴射マニホールド２の内圧が急激に下がるために、１０〜１２ｋｇ／ｃｍ2 Ｇの車室内圧により高温・高圧の車室空気がドレン弁１２を介し逆流し、特に高温ガスの作用により水噴射マニホールド２が噴破するに至ることがある。
【００１８】
また、水噴射の投入／停止のタイミングがある一定の負荷（例えば１／４負荷）の場合、水噴射マニホールド２を使用するようにしたものであれば水噴射“断”の後、前述したように車室内温度・圧力が下がるＮｏ Ｌｏａｄまで上記水抜き操作を待つ必要がある。しかしこの様な水噴射“断”と水抜きとが同時に行なわれない場合は、このわずかな時間差の間に水噴射マニホールド２の水頭による圧力では、微粒化しない水がガスタービン下半部に流れ込む現象が確認されている。
そして発停操作を繰り返すことで、燃焼器１およびガスタービン１段静翼は、加熱、急冷が繰り返し行われ、この強烈な熱衝撃により、ガスタービンの高温部品が損傷を受けることがある。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ガスタービンの断熱火炎温度を低くして、燃焼ガスの低ＮＯｘ化を図るべく燃焼器内に水を噴射するために設けられている、従来の水噴射マニホールドの不具合、すなわち、車室内の高温、高圧の空気が逆流して水噴射マニホールドを噴破することがあり、水噴射の投入／停止のタイミングが一定の負荷時に行われる場合、水噴射“断”後、車室内温度、圧力が下がるＮｏ Ｌｏａｄまで水抜き操作を持つ必要がある不具合、又は水噴射“断”と水抜きとを同時に行わない場合、微粒化しない水がガスタービン下半部に流れ込み、燃焼器およびガスタービン１段静翼を加熱、急冷することにより、これらの高温部に強烈な熱衝撃を付加して損傷に至らせしめる不具合を解消するため、ドレン弁にごみ等がかみ込まれるようなことがあっても、車室内の高温、高圧空気が逆流することがなく、水噴射マニホールドの噴破を防止することができ、水噴射の投入／停止のタイミングが一定の負荷時に行われる場合でも、Ｎｏ Ｌｏａｄの状態まで車室内の温度、圧力が下がるのを待つことなく、水噴射“断”と同時に水抜き作業ができ、さらには、水噴射“断”と水抜きを同時に行わない場合でも、微粒化しない水がガスタービン下半部に流れ込むのを防止でき、燃焼器およびガスタービン１段静翼に強烈な熱衝撃が付加されるのを回避でき、これらの損傷を防止できるようにした多機能付加型水噴射マニホールドの提供を課題とする。
【００２０】
【課題を解決する為の手段】
この為、本発明の多機能付加型水噴射マニホールドは次の手段とした。
【００２１】
（１）燃焼器内に噴射する水を充填する水噴射マニホールドの頂部に設置された空気連通管に空気連通弁を介装し、水噴射マニホールド内から水を排出するときには、空気連通弁を開放することにより水噴射マニホールド内上部を大気に連通させ、水噴射マニホールド内に空気を導入し、水噴射マニホールドから水を抜き出すことができるようにした空気連通装置を設けた。
【００２２】
（２）水噴射マニホールドから噴射する水を燃焼器に供給するために、水噴射マニホールドと燃焼器との間に連結された枝管の途中に介装され、水噴射マニホールドと燃焼器との差圧が、所定圧以上では水噴射マニホールドから燃焼器に自由に水を供給できるが、水噴射マニホールドと燃焼器との間の差圧が所定圧、例えば、水噴射マニホールド内の水頭圧以下になったときには、水噴射マニホールドと燃焼器との連通を遮断して、水噴射マニホールドから燃焼器へ微粒化しない水の流れを止めることのできる加圧型逆止弁を設けた。
【００２３】
（ａ）これにより、水噴射の投入／停止のタイミングがある一定負荷で行なわれる場合でも、火炎温度の低減を行なっている車室内の温度、圧力状態が無負荷の状態になるのを待つことなく、燃焼器への水の供給を止め水噴射マニホールド内からの水抜き操作が出来るようになる。
【００２４】
すなわち、水噴射の投入／停止のタイミングがある一定負荷で行なわれ、投入／停止のタイミングである一定負荷時に水抜き操作を行なう場合でも、水噴射マニホールド内圧力を水噴射マニホールド内と大気とを連通させることにより低下させ、又はドレン弁にごみのかみこみがあって低下して、水噴射マニホールドの圧力よりも燃焼室の圧力が高くなっても、加圧型逆止弁に依って阻止され、燃焼室から水噴射マニホールドへの高温、高圧の状態の空気の逆流が生じるようなことがなく、高温、高圧の状態の空気の逆流による水噴射マニホールドの噴破を防止することができる。
【００２５】
また、水噴射の投入／停止のタイミングがある一定負荷で行なわれる場合でも、車室内の温度、圧力が無負荷の状態になるまで待つことなく、水噴射マニホールドからの水抜き操作が直ちに行なえることから、スイープ操作が水噴射の停止後時間を要することなく行なえることから、油焚き運転停止後直ちにスイープ操作を行ない、燃料噴射口の近傍に開口する水穴に垂れた液体燃料が高温によりコーキングするのを防止でき、水穴が閉鎖されるのを防止することができる。
【００２６】
さらに、水噴射マニホールドと燃焼器との間の差圧が水噴射マニホールド内上端まで充填された水の水頭圧以下になったときには、加圧型逆止弁に設けたスプリングの加圧力等により、水噴射マニホールドから燃焼器への連通が遮断されるので、水噴射マニホールドから上述の水頭圧では微粒化されない水が燃焼器に流入し、高温の状態の燃焼器下部、又は第１段静翼等に接触することがなく、これらの高温部品に生じる熱衝撃を低減することができ、高温部品の損傷を防止することができる。
【００２７】
このように、本発明の多機能付加型水噴射ノズルによれば、いかなる混焼ガスタービン負荷においても、ガスタービンの高温部品にダメージあたえることなく、ＮＯｘ低減のための水の投入／停止が可能となり、ガスタービンの水噴射運用範囲を著しく広げ、且つ、高温部品には損傷が全く発生しないため、補修費用低減による経済効果を大きくすることができる。
また、通常のガスタービンにおいて必要としているマニホールドの水抜き、水穴のスイープ操作が確実に、しかも負荷運転停止の場合でも時間を置かずに行なえることから、液体燃料による水穴のコーキング閉鎖が起こらず、安定した運転をすることができる。
【００２８】
このように、本発明の多機能付加型水噴射マニホールドは、ＮＯｘ低減のための水の投入／停止のタイミングを自在に選定できるため、油専焼及び混焼ガスタービンにおいてその効果は、経済性、信頼性、安定運転の面から見て絶大なものにできる。
【００２９】
また、本発明の多機能付加型水噴射マニホールド操作方法は、次の手段を採用した。
【００３０】
（３）油専焼及び混焼ガスタービン負荷運転時において、燃焼器内に噴射する水を充填する水噴射マニホールドの頂部に設置された空気連通装置により水噴射マニホールド内を大気と連通させる工程、
（４）水噴射マニホールドの底部に設置されたドレン管からドレン弁を開放することにより水噴射マニホールド内の水を外部へ排出する工程、
（５）水噴射マニホールドと燃焼器とを連通する枝管に介装した加圧型逆止弁により、遮断弁の閉鎖により、燃焼器内の圧力が水噴射マニホールド内の圧力よりも充分高いときにおいても、燃焼器から水噴射マニホールドへの空気の逆流を防止するとともに、差圧が水噴射マニホールドの水頭程度の所定圧以下になったときには、水噴射マニホールドから燃焼器への水の通過を遮断する工程、
とからなり、油専焼及び混焼ガスタービンのいかなる負荷運転時においても、ＮＯｘ低減のための水の投入／停止操作を行なっても、無負荷になるのを待たずに水噴射マニホールドから水抜きを行なえるようにした。
【００３１】
このような工程からなる多機能付加型水噴射マニホールド操作方法を採用したことにより、上記（ａ）と同様な作用、効果が得られる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の多機能付加型水噴射マニホールドの実施の一形態を図面にもとづき説明する。
なお、図において図４に示す従来の水噴射マニホールドブロック図に示された部材と同一若しくは類似の部材には同一符号を符して説明は省略する。
図１は、本発明の多機能付加型水噴射マニホールドの実施の第１形態を示す図、図２は図に示す枝管６に介装するようにした加圧型逆止弁の詳細図を示す断面図である。
【００３３】
図に示すように、本実施の形態の多機能付加型水噴射マニホールド５０に採用される水噴射マニホールド５１は、図３に示す燃焼器１におのおの接続される１５ｍｍφの枝管６と、ガスタービンの外周を囲繞して円周状に配置され、直径５〜６ｍのリング形状をした母管で構成されている。
このように、本実施の形態の多機能付加型水噴射マニホールド５０を構成する水噴射マニホールド５１の基本的な構成は、図３で説明した従来型の水噴射マニホールド２と同じであるが、本実施の形態の水噴射マニホールド５１においては、水噴射マニホールド２のものに加えて、水噴射マニホールド５１の上部に空気連通管５２を設け、空気連通管５２の途中に空気連通弁５３を介装した点及び水噴射マニホールド５１からおのおの燃焼器１へ接続される枝管６に加圧型逆止弁５４を設置するようにした点が、従来の水噴射マニホールド２とは異なる。
【００３４】
このうち、空気連通管５２および空気連通弁５３は、従来の水噴射マニホールド２が車室内の高圧空気を使用して内部の水抜きを行うようにしているのに対して、車室内の状況、換言すれば水噴射の投入／停止のタイミングがある一定負荷で行われる場合でも、水噴射“断”の後、車室内の温度、圧力がＮｏ Ｌｏａｄまで待つことなく、水抜き操作を出来るようにするために設けたものである。
この加圧型逆止弁５４は、その詳細を示す図２に示す断面図に示されるように水噴射をある負荷で停止した場合、燃焼器１側から停止時の負荷に対応する一定の車室内圧で高温の空気が水噴射マニホールド５１内にかからないようにしているので、Ｎｏ Ｌｏａｄまで待つことなく水抜きをしても、停止を行う負荷によっては高温、高圧の車室内の空気が水噴射マニホールド５１に流入して、水噴射マニホールド５１が噴破するのを防止することができる。
【００３５】
また、水噴射マニホールド５１は前述したように直径５〜６ｍの大型リングである為、水噴射マニホールド５１の上部と下部では、この車室内圧に加え、水頭分の圧力差が出来るがこの圧力差を補正する為に、加圧型逆止弁５４を貫通して設けた通路を開閉するためのバルブ部５５にスプリング５６を設け、このスプリング５６により、水頭分の圧力差に対応する５〜６ｍ（０．５〜０．６ｋｇ／ｃｍ2 ｇ）の加圧力でバルブ部５５の弁体を押し付けて水頭分の圧力差を補償し、遮断弁９“断”と同時に水抜きを行わない場合に生じる水頭によって、微粒化しない水がガスタービンの下半部に流れ込む現象が生じないようにした。
これにより、微粒化しない水によって燃焼室１下部、第１段静翼が急冷されることがなく、強烈な熱衝撃が付加され損傷するのを回避することができる。
【００３６】
また、水噴射を実施する噴射ノズル１７は、図６において説明したように燃焼ノズル中心部から油穴１４、その囲りをかこむ様に水穴１６を配置し、そして最も外囲部にはガス穴１３が配置されている。
従って、油焚きでの運転を停止した場合、水穴１６まで燃料油がたれ、これが高温環境下において、この燃料油はカーボナイズし水穴１６の目づまり起す可能性がある為、水噴射停止後、水抜きを実施し、前述したように、スイープ空気供給弁１０を開放することにより、７ｋｇ／ｃｍ2 ｇ程度のスイープ空気を供給し、水穴１６周辺に垂れた燃料油を車室内に吹き飛ばし、目づまり防止を実施している。
【００３７】
以上説明した様に、本実施の形態の多機能付加型水噴射マニホールド５０によれば、水噴射マニホールド５１と燃焼器１とを連結する枝管６の途中に加圧型逆止弁５４を設置することで、加圧型逆止弁５４を介して車室内と水噴射マニホールド５１とは完全に分離されている為、仮にドレン弁１２にごみがかみ込み、大気に通じるわずかな通路が形成されて、水噴射マニホールド５１の内圧が車室内圧力より低くなったとしても、高温・高圧の車室空気が水噴射マニホールド５１内まで逆流することは無い。
【００３８】
このことは、いかなる条件においても、ガスタービンを安全に運転、すなわち、運転／停止することが可能になり、信頼性の高い設備を供給することが出来ることになる。
さらに、この加圧型逆止弁５４には、水噴射マニホールド５１の水頭５〜６ｍに打ち勝つ程度の反力、すなわち０．５〜０．６ｋｇのスプリング加圧力にされたスプリング５６が装着され、このスプリング５６が車室内側から水噴射マニホールド５１側に向けて、加圧しており、いかなるガスタービン負荷において、遮断弁９を閉鎖して水噴射“断”とした場合でも、水噴射マニホールド５１の水頭により微粒化されない水が、燃焼器１および第１段静翼の下半部に流れ込まないようにすることができ、特に高負荷時において運転停止した場合における微粒化されない水による高温部品の急冷を防止することができ、ガスタービンの故障を少くし、耐久性の高いものにすることができる。
【００３９】
このように、本実施の形態の多機能付加型水噴射マニホールド５０によれば、いかなるガスタービン負荷においても、ガスタービンの高温部品にダメージを与えること無く、水の投入／停止が可能となり、ガスタービンの水噴射運用範囲を著しく広げ、かつ、高温部品に損傷が全く発生しない為、保修費用低減による経済効果を大きくすることができる。
【００４０】
また、水噴射マニホールド５１から水抜きをする場合、空気連通弁５３を開放し、ドレン弁１２を開けることで完全に実施することが可能である。
また、車室内に水噴射を行う水穴１６は小口径であり、かつ油穴１４付近に配置されている為、油焚きガスタービン停止後、水穴コーキング防止のスイープ操作を行う必要があるが、この場合でも、水を抜いた後直ちにスイープ用の圧力空気７〜５ｋｇ／ｃｍ2 ｇを流すことで、スプリング５６の水頭５〜６ｍの圧力（０．５〜０．６ｋｇｆ）に打ち勝ち、確実にスイープすることが可能である。
【００４１】
このように、通常のガスタービンにおいて必要な操作としてマニホールドの水抜き、水噴射穴のスイープが確実に出来る為、ノズル穴コーキングが起こらず、安定した運転をすることが可能であり、本実施の形態の多機能付加型水噴射マニホールド５０の効果は、経済性、信頼性、安定運転の面から見て絶大である。
【００４２】
以上、本実施の形態の多機能付加型水噴射マニホールド５０について説明したが、本実施の形態の多機能付加型水噴射マニホールド５０のガスタービン起動時〜停止時にわたる操作方法を示すために、これら操作のために装着されている弁操作の態様を表１により示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の多機能付加型水噴射マニホールドは、燃焼器内に噴射する水を充填する水噴射マニホールドの頂部に設置され、水噴射マニホールド内から水を排出するとき、空気連通弁の開放により水噴射マニホールド内上部を大気に連通させ、内部に空気を導入する空気連通装置、水噴射マニホールドから燃焼器に水を供給する水噴射マニホールドと燃焼器との間に連結された枝管の途中に介装され、水噴射マニホールドと燃焼器との差圧が所定圧以上では、水噴射マニホールドから燃焼器に水を供給でき、差圧が所定圧以下になったとき、連通を遮断し、水噴射マニホールドから燃焼器への水を止める加圧型逆止弁からなるものとした。
【００４５】
これにより、水噴射の投入／停止のタイミングがある一定負荷で行なわれる場合でも、火炎温度の低減を目的として、車室内の温度、圧力状態が無負荷の状態になるのを待たず、水の供給を止め水噴射マニホールド内からの水抜きが出来る。
また、水噴射の投入／停止のタイミングがある一定負荷で行なわれる場合でも、車室内の温度、圧力が無負荷の状態まで待たず、水抜き操作を直ちに行ないスイープ操作を水噴射の停止後、時間を要することなくでき、特に油焚き運転停止後直ちにスイープ操作ができることから、燃料噴射口の近傍に開口する水穴に垂れた液体燃料のコーキングを防止でき、水穴の閉鎖を防止できる。
【００４６】
さらに、差圧が水噴射マニホールド内上端まで充填された水の水頭圧以下では、加圧型逆止弁により水噴射マニホールドから燃焼器への連通が遮断され、水噴射マニホールドから微粒化されない水が燃焼器に流入し、高温部品に接触することがなく、これらの高温部品の熱衝撃を低減でき損傷を防止できる。
【００４７】
このように、本発明の多機能付加型水噴射マニホールドによれば、いかなる油専焼及び混焼ガスタービンの負荷においても、ガスタービンの高温部品にダメージを与えることなく、ＮＯｘ低減の水の投入／停止が可能となり、ガスタービンの水噴射運用範囲を著しく広げ、且つ、高温部品には損傷が全く発生せず、補修費用低減による経済効果を大きくできる。
【００４８】
このように、本発明の多機能付加型水噴射マニホールドは、ＮＯｘ低減のための水の投入／停止のタイミングを自在に選定でき、混焼ガスタービンを経済性、信頼性、安定運転の面から効果の絶大なものにできる。
【００４９】
また、本発明の多機能付加型水噴射マニホールド操作方法は、混焼ガスタービン負荷運転時に、燃焼器内に噴射する水を充填する水噴射マニホールドの頂部に設置した空気連通装置から水噴射マニホールド内に空気を導入する工程、水噴射マニホールドの底部に設置されたドレン管から水を外部へ排出する工程、枝管に介装した加圧型逆止弁を設置して、燃焼器から水噴射マニホールドへの空気の逆流を防止および差圧が所定圧以下のとき水噴射マニホールドから燃焼器への水の通過を遮断する工程とからなり、いかなる負荷運転時においてＮＯｘ低減の水の投入／停止操作を行なっても、無負荷になるのを待たず水噴射マニホールドから水抜きができるようにした。
【００５０】
この工程からなる多機能付加型水噴射マニホールド操作方法の採用により、上記（ａ）と同様な作用、効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の多機能付加型水噴射マニホールドの実施の第１形態を示すブロック図、
【図２】 図１に示す加圧型逆止弁の縦断面図、
【図３】 油専焼及び混焼ガスタービンに従来の水噴射マニホールドを設置したものを示す図で、中心より上部は断面図、下部は側面図、
【図４】 従来の水噴射マニホールドを示すブロック図、
【図５】 混焼ガスタービンの液体燃料入熱量、ガス燃料入熱量および負荷状態を示す図、
【図６】 燃焼器の噴射ノズルを示す図で、図６（ａ）は部分縦断面図、図６（ｂ）は正面図である。
【符号の説明】
１ 燃焼器
２ 水噴射マニホールド
３ 水供給管
４ 圧縮空気管
５ ドレン管
６ 枝管
７ 水噴射ポンプ
８ 流量調整弁
９ 遮断弁
１０ スイープ空気供給弁
１１ 逆止弁
１２ ドレン弁
１３ ガス穴
１４ 油穴
１５ スワラー
１６ 水穴
１７ 噴射ノズル
５０ 多機能付加型水噴射マニホールド
５１ 水噴射マニホール
５２ 空気連通管
５３ 空気連通弁
５４ 加圧型逆止弁
５５ バルブ部
５６ スプリング
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業用ガスタービンの運転／停止過程において、ガスタービン燃焼ガスの低ＮＯｘ化を実現するために、ガスタービンの燃焼温度を下げるべくガスタービン燃焼室へ供給するようにした水が、水の供給を止めても水頭圧によりガスタービン内に侵入するのを防止し、かつドレン弁にゴミがかみ込んだ際、高温車室内の高温高圧の空気が、水の供給が止められて内圧が低下した水噴射マニホールド内に逆流しない機能を有する多機能付加型水噴射マニホールド及びその操作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業用ガスタービンとして使用される、油焚き専焼の燃焼器又は油焚き−ガス焚き混焼の燃焼器において低ＮＯｘ化を実現する為に、燃料に水を混入し又は燃焼ゾーンに水噴射を行い、火炎の温度を低減することが一般的に行なわれている。
このうち、油焚き専焼の火炎の温度を低減するものとしては、本出願人により特願平１１−１５９７５６号「油焚きＤＬＮ燃焼器の水噴射制御装置」が提案されている。
【０００３】
すなわち、ガスタービンに用いられる燃焼器が、油焚予混合燃焼器（Ｄｒｙ Ｌｏｗ ＮＯｘ Ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ）の水噴射制御装置において、燃料中に噴射する水量の制御を燃料流量に応じて正確に制御するために、パイロット系統、メインＡ，Ｂ系統が流量調整弁を介して設けられ、油燃料が供給される系統のうちのメインＡ，Ｂ系統には流量検出器、水噴射流量調整弁を備えた水噴射系統が設けられ、水噴射流量制御回路により弁が制御され、水噴射量を制御するようにしている。
このために、制御回路には燃料流量制御信号、水流量検出器の検出信号、車室圧力、水噴射供給圧力（計画値）が入力され、油燃料流量に比例した弁の開度が先行的に算出され、検出器からのフィードバック信号によりこの算出値を補正して、弁を制御するようにしているので油燃料流量に応じて迅速な水噴射量が制御され、燃焼により生じるＮＯｘ量を低減できるようにしている。
【０００４】
また、従来の油焚き−ガス焚き混焼の拡散型ガスタービン燃焼器においても、ＮＯｘ量を低減するために、ガスタービンの部分図であり軸心よりも上方を断面図で示し、下方を側面図で示すようにした図３に示すように、燃焼器１の近傍にガスタービン筒体を取り巻いて、直径が５〜６ｍ円環状の水噴射マニホールド２が設けられ、周方向に１０数個から２０数個配置された各燃焼器１の運転時の火炎に水を噴射して、燃焼温度が低くなるようにしてＮＯｘの発生量を少なくするようにしている。
【０００５】
この水噴射マニホールド２は、ブロック図である図４に示すように、後述する水穴１６が小径のためにノズル差圧約４０〜５０ｋｇ／ｃｍ2 ｇと燃焼器１の燃焼ガスを発生させる区画（以下車室という）の圧力１３〜２０ｋｇ／ｃｍ2 ｇの合計圧力である５３〜７０ｋｇ／ｃｍ2 ｇに達する高圧の水を供給する水供給管３に、圧縮空気管４、ドレン管５および枝管６がそれぞれ連結されており、上述したように水噴射マニホールド２から燃焼器１内の火炎に水を噴射し、燃焼器１における断熱火炎温度を低くして、燃焼ガスを低ＮＯｘ化するとともに、停止時には内部の水を抜き出すようにしている。
このために、水供給管３には、水噴射ポンプ７、流量調整弁８、および遮断弁９が介装されるとともに、スイープ空気供給弁１０、逆止弁１１を介装した圧縮空気管４と途中で連結され、水噴射マニホールド２に火炎冷却用の水を供給できるようにするとともに、水噴射穴目塞まり防止（スイープ）用の圧縮空気を供給できるようにしている。
【０００６】
また、ドレン管５は途中にドレン弁１２が介装されて、水噴射マニホールド２の下端部に連結されて、ガスタービンへの水噴射が不必要なときには、水噴射マニホールド２から水抜きを行えるようにしている。
さらに、水噴射マニホールド２と燃焼器１との間には、１０数ｍｍφの枝管６が設けられているだけで、この枝管６には、特に弁等の車室内と水噴射マニホールド２とを遮断するものは、特に設けるようにはしていない。
【０００７】
また、圧縮空気管４には、スイープ空気供給弁１０と逆止弁１１が介装され、油焚き運転を停止した場合、後述する噴射ノズル１７の構造から明らかなように、水穴１６まで燃料油がたれ、高温環境下でカーボナイズして、水穴１６を閉鎖するのを防止するために、油焚き運転停止後、スイープ空気供給弁１０を開放することにより水穴１６までたれた燃料油を車室内に吹き飛ばすようにしている。
【０００８】
従来の水噴射装置は、上述のように構成されており、通常、ガスタービンが着火した後、無負荷（Ｎｏ Ｌｏａｄ）又はある低負荷から水噴射を開始し、負荷の増加に応じて投入水量を増加し、ガスタービンの断熱火炎温度を下げ、断熱火炎温度が高くなるにつれて増大する出口ＮＯｘをできるだけ均一となる様制御している。
一方、停止時においては、最大負荷（Ｆｕｌｌ Ｌｏａｄ）から負荷を降下すると同時に投入水量を減じ、燃料“断”と同時にドレン弁１２を開放することで車室残圧６〜１０ｋｇ／ｃｍ2 ｇの圧力空気を利用して、瞬時に水噴射マニホールド２内に溜った水を抜く方法を採用していた。
【０００９】
すなわち、ガスタービンを油焚きのみでＮｏ ＬｏａｄからＦｕｌｌ Ｌｏａｄまで運転する場合には、図５の横軸の右向きの矢印で示すように着火後のＮｏＬｏａｄのａの状態から液体燃料入熱量の増加、換言すれば、油焚き負荷の増加ａ→ｂ→ｃ→ｄ→ｅにつれて投入水量を増加し、Ｆｕｌｌ Ｌｏａｄ迄投入水量を増やし、また、Ｆｕｌｌ Ｌｏａｄから負荷を降下させるときには、左向きの矢印で示すように、ｅ→ｄ→ｃ→ｂ→ａと投入水量を減少させるようにしている。
【００１０】
さらに、ガスタービンを油焚きとガス焚きの混焼運転するときには、
ｉ）一定負荷、例えば、ｂ−Ｌｏａｄまでガス焚き運転を行い、ｂ−Ｌｏａｄに達した時点でガス焚きに加えて油焚きを行う混焼、すなわち、図３で示すｇ→ｈ→ｉに沿って混焼によりＬｏａｄを増加させて、このＬｏａｄの増加につれて投入水量を増加させ、Ｆｕｌｌ Ｌｏａｄ迄投入水量を増やし、またＦｕｌｌ ＬｏａｄからＬｏａｄを降下させるときには、ｉ→ｈ→ｇで示すように、燃料油入熱量をまず減少させてＦｕｌｌ Ｌｏａｄからｂ−ＬｏａｄまでＬｏａｄを減少させ、次いでガス燃料入熱量を減少させることにより、ｂ−ＬｏａｄからＮｏ ＬｏａｄまでＬｏａｄを減少させ、このＬｏａｄの減少と共に投入水量を減少させる方法、又はｉｉ）ガス着火後昇速し、Ｎｏ ＬｏａｄからＦｕｌｌ Ｌｏａｄまで混焼によりＬｏａｄをｇ→ｆ→ｋと増加させて、このＬｏａｄの増加につれて投入水量を増加させ、またＬｏａｄを降下させるときには、ｋ→ｆ→ｇとＬｏａｄの減少につれて投入水量を減少させる方法等が採用されている。
【００１１】
なお、図５においては、Ｆｕｌｌ Ｌｏａｄにおけるｋ点はガス燃料入熱量を７０％、液体燃料入熱量を３０％の場合を示しているが、この入熱量の比は自在に変えることが出来るが、特に経済性等を考慮して、ガス燃料入熱量と液体燃料入熱量の比がＦｕｌｌ Ｌｏａｄにおいて７０／３０〜３０／７０になるようにしている。
【００１２】
また、燃焼器１内に水を噴射する噴射ノズル１７は、図６に示すように構成されている。
すなわち、噴射ノズル１７の軸心部には、１次スワラー、２次スワラーで旋回させられている空気と共に、燃料油を燃焼室内に噴射する油穴１４が設けられ、油穴１４の外周側には周方向に９０°の角度を設けて水噴射を行う水穴１６が設けられている。
さらに、油穴１４の外周には１２個のガス穴１３が周方向に等ピッチに配置されて燃焼室内に開口するとともに、噴射ノズル１７の最外周部には前面で燃焼する火炎に旋回力を付与するスワラー１５が設けられている。
【００１３】
以上、燃焼室内の火炎温度を低くして、低ＮＯｘ化するための水噴射を行う水噴射マニホールド２、混焼ガスタービンにおいて従来から行われている水噴射の方法および水噴射を行う噴射ノズルについて説明したが、従来の水噴射マニホールド２においては、水噴射ポンプ７で加圧された水は、流量調整弁８で流量コントロールされ、遮断弁９を介し水噴射マニホールド２に入り、この水噴射マニホールド２から各燃焼器１へ枝管６を介して、ガスタービンの負荷に対応した量の水を燃焼器１内に噴射して、高温で燃焼している火炎温度を下げ、燃料ガス中のＮＯｘ量を低下させる。
【００１４】
また、水噴射マニホールド２が５〜６ｍにもなることから、水噴射マニホールド２の上端と下端とは５〜６ｍの水頭が生じるが、ノズル差圧が４０〜５０ｋｇ／ｃｍ2 ｇであり運転中は充分に微粒化された水が供給される。
【００１５】
さらに、ガスタービン停止時には、水噴射マニホールド２に溜った水を抜くためのドレン弁１２が設置され、タービン停止と同時に遮断弁９を閉鎖し、ドレン弁１２を開にして、水噴射マニホールド２に溜った水を解列と同時に車室残圧を利用して抜く様にしている。
【００１６】
しかしながら、近年上述した油専焼及び混燃ガスタービンに使用されている従来型水噴射マニホールドでは、以下の技術的課題が顕著となって来ている。
すなわち、ドレン弁１２から排出されるドレンは側溝等に排出されることが多く、このためにドレン排出時にドレン弁１２にごみをかみ込むことがある。
このように、ドレン弁１２にごみがかみ込んだ場合、ドレンラインから大気に逃げるわずかな通路が形成される。
【００１７】
ガスタービン運転時のように、水噴射を実施し、水噴射マニホールド２の内圧が１０〜１２ｋｇ／ｃｍ2 Ｇにもなる車室内圧より大きい場合は、ドレンラインからわずかな水が漏れるに過ぎず問題はないが、ある負荷で運転しているときに、何らかの要因で水噴射“断”とした場合には、水噴射マニホールド２の内圧が急激に下がるために、１０〜１２ｋｇ／ｃｍ2 Ｇの車室内圧により高温・高圧の車室空気がドレン弁１２を介し逆流し、特に高温ガスの作用により水噴射マニホールド２が噴破するに至ることがある。
【００１８】
また、水噴射の投入／停止のタイミングがある一定の負荷（例えば１／４負荷）の場合、水噴射マニホールド２を使用するようにしたものであれば水噴射“断”の後、前述したように車室内温度・圧力が下がるＮｏ Ｌｏａｄまで上記水抜き操作を待つ必要がある。しかしこの様な水噴射“断”と水抜きとが同時に行なわれない場合は、このわずかな時間差の間に水噴射マニホールド２の水頭による圧力では、微粒化しない水がガスタービン下半部に流れ込む現象が確認されている。
そして発停操作を繰り返すことで、燃焼器１およびガスタービン１段静翼は、加熱、急冷が繰り返し行われ、この強烈な熱衝撃により、ガスタービンの高温部品が損傷を受けることがある。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ガスタービンの断熱火炎温度を低くして、燃焼ガスの低ＮＯｘ化を図るべく燃焼器内に水を噴射するために設けられている、従来の水噴射マニホールドの不具合、すなわち、車室内の高温、高圧の空気が逆流して水噴射マニホールドを噴破することがあり、水噴射の投入／停止のタイミングが一定の負荷時に行われる場合、水噴射“断”後、車室内温度、圧力が下がるＮｏ Ｌｏａｄまで水抜き操作を持つ必要がある不具合、又は水噴射“断”と水抜きとを同時に行わない場合、微粒化しない水がガスタービン下半部に流れ込み、燃焼器およびガスタービン１段静翼を加熱、急冷することにより、これらの高温部に強烈な熱衝撃を付加して損傷に至らせしめる不具合を解消するため、ドレン弁にごみ等がかみ込まれるようなことがあっても、車室内の高温、高圧空気が逆流することがなく、水噴射マニホールドの噴破を防止することができ、水噴射の投入／停止のタイミングが一定の負荷時に行われる場合でも、Ｎｏ Ｌｏａｄの状態まで車室内の温度、圧力が下がるのを待つことなく、水噴射“断”と同時に水抜き作業ができ、さらには、水噴射“断”と水抜きを同時に行わない場合でも、微粒化しない水がガスタービン下半部に流れ込むのを防止でき、燃焼器およびガスタービン１段静翼に強烈な熱衝撃が付加されるのを回避でき、これらの損傷を防止できるようにした多機能付加型水噴射マニホールドの提供を課題とする。
【００２０】
【課題を解決する為の手段】
この為、本発明の多機能付加型水噴射マニホールドは次の手段とした。
【００２１】
（１）燃焼器内に噴射する水を充填する水噴射マニホールドの頂部に設置された空気連通管に空気連通弁を介装し、水噴射マニホールド内から水を排出するときには、空気連通弁を開放することにより水噴射マニホールド内上部を大気に連通させ、水噴射マニホールド内に空気を導入し、水噴射マニホールドから水を抜き出すことができるようにした空気連通装置を設けた。
【００２２】
（２）水噴射マニホールドから噴射する水を燃焼器に供給するために、水噴射マニホールドと燃焼器との間に連結された枝管の途中に介装され、水噴射マニホールドと燃焼器との差圧が、所定圧以上では水噴射マニホールドから燃焼器に自由に水を供給できるが、水噴射マニホールドと燃焼器との間の差圧が所定圧、例えば、水噴射マニホールド内の水頭圧以下になったときには、水噴射マニホールドと燃焼器との連通を遮断して、水噴射マニホールドから燃焼器へ微粒化しない水の流れを止めることのできる加圧型逆止弁を設けた。
【００２３】
（ａ）これにより、水噴射の投入／停止のタイミングがある一定負荷で行なわれる場合でも、火炎温度の低減を行なっている車室内の温度、圧力状態が無負荷の状態になるのを待つことなく、燃焼器への水の供給を止め水噴射マニホールド内からの水抜き操作が出来るようになる。
【００２４】
すなわち、水噴射の投入／停止のタイミングがある一定負荷で行なわれ、投入／停止のタイミングである一定負荷時に水抜き操作を行なう場合でも、水噴射マニホールド内圧力を水噴射マニホールド内と大気とを連通させることにより低下させ、又はドレン弁にごみのかみこみがあって低下して、水噴射マニホールドの圧力よりも燃焼室の圧力が高くなっても、加圧型逆止弁に依って阻止され、燃焼室から水噴射マニホールドへの高温、高圧の状態の空気の逆流が生じるようなことがなく、高温、高圧の状態の空気の逆流による水噴射マニホールドの噴破を防止することができる。
【００２５】
また、水噴射の投入／停止のタイミングがある一定負荷で行なわれる場合でも、車室内の温度、圧力が無負荷の状態になるまで待つことなく、水噴射マニホールドからの水抜き操作が直ちに行なえることから、スイープ操作が水噴射の停止後時間を要することなく行なえることから、油焚き運転停止後直ちにスイープ操作を行ない、燃料噴射口の近傍に開口する水穴に垂れた液体燃料が高温によりコーキングするのを防止でき、水穴が閉鎖されるのを防止することができる。
【００２６】
さらに、水噴射マニホールドと燃焼器との間の差圧が水噴射マニホールド内上端まで充填された水の水頭圧以下になったときには、加圧型逆止弁に設けたスプリングの加圧力等により、水噴射マニホールドから燃焼器への連通が遮断されるので、水噴射マニホールドから上述の水頭圧では微粒化されない水が燃焼器に流入し、高温の状態の燃焼器下部、又は第１段静翼等に接触することがなく、これらの高温部品に生じる熱衝撃を低減することができ、高温部品の損傷を防止することができる。
【００２７】
このように、本発明の多機能付加型水噴射ノズルによれば、いかなる混焼ガスタービン負荷においても、ガスタービンの高温部品にダメージあたえることなく、ＮＯｘ低減のための水の投入／停止が可能となり、ガスタービンの水噴射運用範囲を著しく広げ、且つ、高温部品には損傷が全く発生しないため、補修費用低減による経済効果を大きくすることができる。
また、通常のガスタービンにおいて必要としているマニホールドの水抜き、水穴のスイープ操作が確実に、しかも負荷運転停止の場合でも時間を置かずに行なえることから、液体燃料による水穴のコーキング閉鎖が起こらず、安定した運転をすることができる。
【００２８】
このように、本発明の多機能付加型水噴射マニホールドは、ＮＯｘ低減のための水の投入／停止のタイミングを自在に選定できるため、油専焼及び混焼ガスタービンにおいてその効果は、経済性、信頼性、安定運転の面から見て絶大なものにできる。
【００２９】
また、本発明の多機能付加型水噴射マニホールド操作方法は、次の手段を採用した。
【００３０】
（３）油専焼及び混焼ガスタービン負荷運転時において、燃焼器内に噴射する水を充填する水噴射マニホールドの頂部に設置された空気連通装置により水噴射マニホールド内を大気と連通させる工程、
（４）水噴射マニホールドの底部に設置されたドレン管からドレン弁を開放することにより水噴射マニホールド内の水を外部へ排出する工程、
（５）水噴射マニホールドと燃焼器とを連通する枝管に介装した加圧型逆止弁により、遮断弁の閉鎖により、燃焼器内の圧力が水噴射マニホールド内の圧力よりも充分高いときにおいても、燃焼器から水噴射マニホールドへの空気の逆流を防止するとともに、差圧が水噴射マニホールドの水頭程度の所定圧以下になったときには、水噴射マニホールドから燃焼器への水の通過を遮断する工程、
とからなり、油専焼及び混焼ガスタービンのいかなる負荷運転時においても、ＮＯｘ低減のための水の投入／停止操作を行なっても、無負荷になるのを待たずに水噴射マニホールドから水抜きを行なえるようにした。
【００３１】
このような工程からなる多機能付加型水噴射マニホールド操作方法を採用したことにより、上記（ａ）と同様な作用、効果が得られる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の多機能付加型水噴射マニホールドの実施の一形態を図面にもとづき説明する。
なお、図において図４に示す従来の水噴射マニホールドブロック図に示された部材と同一若しくは類似の部材には同一符号を符して説明は省略する。
図１は、本発明の多機能付加型水噴射マニホールドの実施の第１形態を示す図、図２は図に示す枝管６に介装するようにした加圧型逆止弁の詳細図を示す断面図である。
【００３３】
図に示すように、本実施の形態の多機能付加型水噴射マニホールド５０に採用される水噴射マニホールド５１は、図３に示す燃焼器１におのおの接続される１５ｍｍφの枝管６と、ガスタービンの外周を囲繞して円周状に配置され、直径５〜６ｍのリング形状をした母管で構成されている。
このように、本実施の形態の多機能付加型水噴射マニホールド５０を構成する水噴射マニホールド５１の基本的な構成は、図３で説明した従来型の水噴射マニホールド２と同じであるが、本実施の形態の水噴射マニホールド５１においては、水噴射マニホールド２のものに加えて、水噴射マニホールド５１の上部に空気連通管５２を設け、空気連通管５２の途中に空気連通弁５３を介装した点及び水噴射マニホールド５１からおのおの燃焼器１へ接続される枝管６に加圧型逆止弁５４を設置するようにした点が、従来の水噴射マニホールド２とは異なる。
【００３４】
このうち、空気連通管５２および空気連通弁５３は、従来の水噴射マニホールド２が車室内の高圧空気を使用して内部の水抜きを行うようにしているのに対して、車室内の状況、換言すれば水噴射の投入／停止のタイミングがある一定負荷で行われる場合でも、水噴射“断”の後、車室内の温度、圧力がＮｏ Ｌｏａｄまで待つことなく、水抜き操作を出来るようにするために設けたものである。
この加圧型逆止弁５４は、その詳細を示す図２に示す断面図に示されるように水噴射をある負荷で停止した場合、燃焼器１側から停止時の負荷に対応する一定の車室内圧で高温の空気が水噴射マニホールド５１内にかからないようにしているので、Ｎｏ Ｌｏａｄまで待つことなく水抜きをしても、停止を行う負荷によっては高温、高圧の車室内の空気が水噴射マニホールド５１に流入して、水噴射マニホールド５１が噴破するのを防止することができる。
【００３５】
また、水噴射マニホールド５１は前述したように直径５〜６ｍの大型リングである為、水噴射マニホールド５１の上部と下部では、この車室内圧に加え、水頭分の圧力差が出来るがこの圧力差を補正する為に、加圧型逆止弁５４を貫通して設けた通路を開閉するためのバルブ部５５にスプリング５６を設け、このスプリング５６により、水頭分の圧力差に対応する５〜６ｍ（０．５〜０．６ｋｇ／ｃｍ2 ｇ）の加圧力でバルブ部５５の弁体を押し付けて水頭分の圧力差を補償し、遮断弁９“断”と同時に水抜きを行わない場合に生じる水頭によって、微粒化しない水がガスタービンの下半部に流れ込む現象が生じないようにした。
これにより、微粒化しない水によって燃焼室１下部、第１段静翼が急冷されることがなく、強烈な熱衝撃が付加され損傷するのを回避することができる。
【００３６】
また、水噴射を実施する噴射ノズル１７は、図６において説明したように燃焼ノズル中心部から油穴１４、その囲りをかこむ様に水穴１６を配置し、そして最も外囲部にはガス穴１３が配置されている。
従って、油焚きでの運転を停止した場合、水穴１６まで燃料油がたれ、これが高温環境下において、この燃料油はカーボナイズし水穴１６の目づまり起す可能性がある為、水噴射停止後、水抜きを実施し、前述したように、スイープ空気供給弁１０を開放することにより、７ｋｇ／ｃｍ2 ｇ程度のスイープ空気を供給し、水穴１６周辺に垂れた燃料油を車室内に吹き飛ばし、目づまり防止を実施している。
【００３７】
以上説明した様に、本実施の形態の多機能付加型水噴射マニホールド５０によれば、水噴射マニホールド５１と燃焼器１とを連結する枝管６の途中に加圧型逆止弁５４を設置することで、加圧型逆止弁５４を介して車室内と水噴射マニホールド５１とは完全に分離されている為、仮にドレン弁１２にごみがかみ込み、大気に通じるわずかな通路が形成されて、水噴射マニホールド５１の内圧が車室内圧力より低くなったとしても、高温・高圧の車室空気が水噴射マニホールド５１内まで逆流することは無い。
【００３８】
このことは、いかなる条件においても、ガスタービンを安全に運転、すなわち、運転／停止することが可能になり、信頼性の高い設備を供給することが出来ることになる。
さらに、この加圧型逆止弁５４には、水噴射マニホールド５１の水頭５〜６ｍに打ち勝つ程度の反力、すなわち０．５〜０．６ｋｇのスプリング加圧力にされたスプリング５６が装着され、このスプリング５６が車室内側から水噴射マニホールド５１側に向けて、加圧しており、いかなるガスタービン負荷において、遮断弁９を閉鎖して水噴射“断”とした場合でも、水噴射マニホールド５１の水頭により微粒化されない水が、燃焼器１および第１段静翼の下半部に流れ込まないようにすることができ、特に高負荷時において運転停止した場合における微粒化されない水による高温部品の急冷を防止することができ、ガスタービンの故障を少くし、耐久性の高いものにすることができる。
【００３９】
このように、本実施の形態の多機能付加型水噴射マニホールド５０によれば、いかなるガスタービン負荷においても、ガスタービンの高温部品にダメージを与えること無く、水の投入／停止が可能となり、ガスタービンの水噴射運用範囲を著しく広げ、かつ、高温部品に損傷が全く発生しない為、保修費用低減による経済効果を大きくすることができる。
【００４０】
また、水噴射マニホールド５１から水抜きをする場合、空気連通弁５３を開放し、ドレン弁１２を開けることで完全に実施することが可能である。
また、車室内に水噴射を行う水穴１６は小口径であり、かつ油穴１４付近に配置されている為、油焚きガスタービン停止後、水穴コーキング防止のスイープ操作を行う必要があるが、この場合でも、水を抜いた後直ちにスイープ用の圧力空気７〜５ｋｇ／ｃｍ2 ｇを流すことで、スプリング５６の水頭５〜６ｍの圧力（０．５〜０．６ｋｇｆ）に打ち勝ち、確実にスイープすることが可能である。
【００４１】
このように、通常のガスタービンにおいて必要な操作としてマニホールドの水抜き、水噴射穴のスイープが確実に出来る為、ノズル穴コーキングが起こらず、安定した運転をすることが可能であり、本実施の形態の多機能付加型水噴射マニホールド５０の効果は、経済性、信頼性、安定運転の面から見て絶大である。
【００４２】
以上、本実施の形態の多機能付加型水噴射マニホールド５０について説明したが、本実施の形態の多機能付加型水噴射マニホールド５０のガスタービン起動時〜停止時にわたる操作方法を示すために、これら操作のために装着されている弁操作の態様を表１により示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の多機能付加型水噴射マニホールドは、燃焼器内に噴射する水を充填する水噴射マニホールドの頂部に設置され、水噴射マニホールド内から水を排出するとき、空気連通弁の開放により水噴射マニホールド内上部を大気に連通させ、内部に空気を導入する空気連通装置、水噴射マニホールドから燃焼器に水を供給する水噴射マニホールドと燃焼器との間に連結された枝管の途中に介装され、水噴射マニホールドと燃焼器との差圧が所定圧以上では、水噴射マニホールドから燃焼器に水を供給でき、差圧が所定圧以下になったとき、連通を遮断し、水噴射マニホールドから燃焼器への水を止める加圧型逆止弁からなるものとした。
【００４５】
これにより、水噴射の投入／停止のタイミングがある一定負荷で行なわれる場合でも、火炎温度の低減を目的として、車室内の温度、圧力状態が無負荷の状態になるのを待たず、水の供給を止め水噴射マニホールド内からの水抜きが出来る。
また、水噴射の投入／停止のタイミングがある一定負荷で行なわれる場合でも、車室内の温度、圧力が無負荷の状態まで待たず、水抜き操作を直ちに行ないスイープ操作を水噴射の停止後、時間を要することなくでき、特に油焚き運転停止後直ちにスイープ操作ができることから、燃料噴射口の近傍に開口する水穴に垂れた液体燃料のコーキングを防止でき、水穴の閉鎖を防止できる。
【００４６】
さらに、差圧が水噴射マニホールド内上端まで充填された水の水頭圧以下では、加圧型逆止弁により水噴射マニホールドから燃焼器への連通が遮断され、水噴射マニホールドから微粒化されない水が燃焼器に流入し、高温部品に接触することがなく、これらの高温部品の熱衝撃を低減でき損傷を防止できる。
【００４７】
このように、本発明の多機能付加型水噴射マニホールドによれば、いかなる油専焼及び混焼ガスタービンの負荷においても、ガスタービンの高温部品にダメージを与えることなく、ＮＯｘ低減の水の投入／停止が可能となり、ガスタービンの水噴射運用範囲を著しく広げ、且つ、高温部品には損傷が全く発生せず、補修費用低減による経済効果を大きくできる。
【００４８】
このように、本発明の多機能付加型水噴射マニホールドは、ＮＯｘ低減のための水の投入／停止のタイミングを自在に選定でき、混焼ガスタービンを経済性、信頼性、安定運転の面から効果の絶大なものにできる。
【００４９】
また、本発明の多機能付加型水噴射マニホールド操作方法は、混焼ガスタービン負荷運転時に、燃焼器内に噴射する水を充填する水噴射マニホールドの頂部に設置した空気連通装置から水噴射マニホールド内に空気を導入する工程、水噴射マニホールドの底部に設置されたドレン管から水を外部へ排出する工程、枝管に介装した加圧型逆止弁を設置して、燃焼器から水噴射マニホールドへの空気の逆流を防止および差圧が所定圧以下のとき水噴射マニホールドから燃焼器への水の通過を遮断する工程とからなり、いかなる負荷運転時においてＮＯｘ低減の水の投入／停止操作を行なっても、無負荷になるのを待たず水噴射マニホールドから水抜きができるようにした。
【００５０】
この工程からなる多機能付加型水噴射マニホールド操作方法の採用により、上記（ａ）と同様な作用、効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の多機能付加型水噴射マニホールドの実施の第１形態を示すブロック図、
【図２】 図１に示す加圧型逆止弁の縦断面図、
【図３】 油専焼及び混焼ガスタービンに従来の水噴射マニホールドを設置したものを示す図で、中心より上部は断面図、下部は側面図、
【図４】 従来の水噴射マニホールドを示すブロック図、
【図５】 混焼ガスタービンの液体燃料入熱量、ガス燃料入熱量および負荷状態を示す図、
【図６】 燃焼器の噴射ノズルを示す図で、図６（ａ）は部分縦断面図、図６（ｂ）は正面図である。
【符号の説明】
１ 燃焼器
２ 水噴射マニホールド
３ 水供給管
４ 圧縮空気管
５ ドレン管
６ 枝管
７ 水噴射ポンプ
８ 流量調整弁
９ 遮断弁
１０ スイープ空気供給弁
１１ 逆止弁
１２ ドレン弁
１３ ガス穴
１４ 油穴
１５ スワラー
１６ 水穴
１７ 噴射ノズル
５０ 多機能付加型水噴射マニホールド
５１ 水噴射マニホール
５２ 空気連通管
５３ 空気連通弁
５４ 加圧型逆止弁
５５ バルブ部
５６ スプリング
Claims (2)
- 液体燃料専焼及び液体燃料とガス燃料とを混焼させて駆動力を発生させる混焼ガスタービンの燃焼温度を低減し、燃焼ガスの低ＮＯｘ化のために燃焼器内に水噴射を行なうための多機能付加型水噴射マニホールドにおいて、燃焼器内に噴射する水を充填する水噴射マニホールドの頂部に設置された空気連通管および空気連通弁とからなり、水噴射マニホールド内と大気とを連通する空気連通装置と、前記水噴射マニホールドから前記燃焼器に水を供給する枝管に介装され、前記水噴射マニホールドと前記燃焼器との差圧が所定圧以上では、前記水噴射マニホールドから前記燃焼器に水を自由に通過させ、前記差圧が所定圧以下では前記水噴射マニホールドと前記燃焼器との連通を遮断する加圧型逆止弁とを設けたことを特徴とする多機能付加型水噴射マニホールド。
- 液体燃料専焼及び液体燃料とガス燃料とを混焼させて駆動力を発生させる混焼ガスタービンの燃焼温度を低減し、燃焼ガスの低ＮＯｘ化のために燃焼器内に水噴射を行なうための多機能付加型水噴射マニホールド操作方法において、前記液体燃料専焼及び混焼ガスタービンの運転時において、燃焼器内に噴射する水を充填する水噴射マニホールドの頂部に設置された空気連通装置により前記水噴射マニホールド内を大気に連通する工程と、前記水噴射マニホールドの底部に設置されたドレン管から前記水噴射マニホールド内の水を排出する工程と、前記水噴射マニホールドと前記燃焼器とを連通する枝管に介装した加圧型逆止弁により、前記燃焼器から前記水噴射マニホールドへの空気の逆流を防止するとともに、差圧が所定圧以下では前記水噴射マニホールドから前記燃焼器への水の通過を遮断する工程とからなり、前記混焼ガスタービンの負荷運転を停止するときにおいても、無負荷になるのを待たずに前記水噴射マニホールドから水抜きが行なえるようにしたことを特徴とする多機能付加型水噴射マニホールド操作方法。
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