JP5926118B2 - バーナ、燃焼器、ガスタービン設備及び燃焼器の制御方法 - Google Patents
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Description
(1)本実施の形態のバーナは、複数の空気孔列を有する空気孔プレートと複数の燃料ノズルとを備えている。空気孔プレートは平板状の部材であり、燃焼室における燃焼ガスの流れ方向の上流側端部に蓋をするようにして配置されている。各空気孔列は空気孔プレートに環状に穿設した複数の空気孔からなるものであり、これら空気孔列は同心円状に設けられている。各空気孔列の空気孔は、バーナ中心軸線に対してバーナの周方向の一方側に傾斜しており、各空気孔列から噴出する空気噴流には旋回成分が付与され、燃焼室内でバーナの径方向に拡大する流れを形成する。燃料ノズルは、空気孔プレートを挟んで燃焼室と反対側において空気孔プレートに噴射孔を向けて配置されている。各燃料ノズルは、一対一の関係で対応する空気孔に向かってそれぞれ燃料を噴射する。燃料ノズルから噴射された燃料は、周囲の燃焼用空気に包囲されて空気孔に流入し、空気孔を通過する際の流路の急激な縮小及び拡大によって燃焼用空気と混合されて予混合気として燃焼室内に噴出する。空気孔は一般的な予混合気器に比べて口径が極めて小さく、流通する予混合気の流速が速いので、燃焼室で保持される火炎が空気孔を逆流することは困難であり、逆火現象は抑制される。
(1)本実施の形態の燃焼器は、複数のバーナ、複数の燃料系統、及び制御装置を備えている。複数のバーナは前述した対象バーナ及び非対象バーナを含む。複数の燃料系統は、対象バーナに燃料を供給する燃料系統、及び非対象バーナに燃料を供給する燃料系統を含む。対象バーナに中央バーナと外側バーナが含まれる場合には、対象バーナに燃料を供給する燃料系統は、中央バーナに燃料を供給する燃料系統、及び対象バーナのうちの外側バーナに燃料を供給する燃料系統にさらに分かれる。もっとも、対象バーナが中央バーナのみの場合であっても、非対象バーナである複数の外側バーナを複数の群に分けて、各群に燃料を供給する燃料系統を複数に分けることもある。
本実施の形態におけるガスタービン設備は、ガスタービンとその負荷機器を備えている。負荷機器は、代表的には発電機である。ガスタービンは、上記燃焼室の他、圧縮機及びタービンを備えている。圧縮機は大気を吸い込んで圧縮するものである。燃焼器は、この圧縮機で圧縮された燃焼用空気とともに燃料を燃焼する。タービンは燃焼器で発生した燃焼ガスで駆動する。タービンの回転動力は、一部は圧縮機動力として使用され、一部は負荷機器の駆動力として使用される。負荷機器が発電機である場合、タービンによって発電機を駆動することによって電気エネルギーが得られる。なお、負荷機器として、例えばポンプ等もガスタービンに接続され得る。
図1は本発明の実施例1に係るガスタービン設備の概略構成を示す系統図である。
本実施例に係る燃焼器2はガスタービンのケーシング4に格納されていて、図1では代表して一つのみを図示しているが、ガスタービンの周囲に複数設けられている。各燃焼器2は、マルチバーナ6、燃焼器ライナ10、フロースリーブ11、尾筒内筒12、尾筒外筒13、燃料系統51−53及び制御装置64を備えている。
図2は実施例1に係る燃焼器に備えられたマルチバーナの構造を表す断面図を燃料系統及び制御装置とともに表した図、図3は図2に示したマルチバーナの空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。これらの図において説明済みの部材については既出図面と同符号を付して説明を省略する。
図4は外側バーナ34の断面図、図5は外側バーナ34を燃焼室側から見た正面図である。これらの図において説明済みの部材については既出図面と同符号を付して説明を省略する。
図8は中央バーナ33の断面図、図9は中央バーナ33を燃焼室側から見た正面図である。これらの図において説明済みの部材については既出図面と同符号を付して説明を省略する。
図11は起動から定格運転に移行する際の制御装置64による火炎形状の制御手順を表すフローチャートである。
制御装置64は、起動後、燃焼器2に供給する燃料流量を定格運転に移行するまで定められた手順に従って徐々に増やしていく。起動時は燃焼器2に供給する燃料流量が少ないため、全てのバーナ33,34に燃料を供給すると個々のバーナの燃空比が低くなって火炎を保持できない。そこで、制御装置64により燃料流量調節弁61−63を制御して燃料系統52,53を遮断して燃料系統51のみを開き、中央バーナ33にのみ燃料を供給して局所的に燃空比を高くして運用する(図2参照)。前述したように、この段階では中央バーナ33で形成される火炎の消炎距離Dは同バーナの空気孔間距離dより小さいため、中央バーナ33では3列目の空気孔列35よりも外側まで基部が広がった火炎42’が形成される(同図参)。
中央バーナ33のみに燃料を供給して運用している間、制御装置64は、中央バーナ33で形成する火炎42’の消炎距離Dが同バーナにおける空気孔間距離dを超えない範囲で中央バーナ33に供給される燃料流量が増すように、燃料系統51への燃料流量指令値S51を増大させて燃料流量調整弁61の開度を上げていく。この間、制御装置64は、燃料流量指令値S51がステップS102における目標値S511(設定値)に到達したかどうかを判定しており、燃料流量指令値S51が目標値S511に到達するまで中央バーナ33の燃料噴射量を増やしつつ中央バーナ33のみによる運用を継続する。そして、燃料流量指令値S51が目標値S511に到達したら、制御装置64は手順をステップS103に移す。
ステップS103に手順を移すと、制御装置64は、燃料系統52,53を開いて外側バーナ34への燃料供給を開始し、全バーナによる運用に移行する。全バーナに燃料を供給することで、中央バーナ33の局所燃空比は起動時よりも低下する。そして、外側バーナ34はもとより中央バーナ33においても空気孔間距離dに対して火炎の消炎距離Dが長くなり、中央バーナ33の火炎形状は1列目の空気孔列35の内側を起点にした円錐状に切り替わる。火炎形状の切り替えの点では制御装置64による制御手順はこれで終了する。但し、全バーナに燃料を供給する運用に移行したあと定格負荷に達するまでの間、制御装置64は、中央バーナ33及び外側バーナ34の双方において火炎42の消炎距離Dが各バーナにおける空気孔間距離dを下回らない範囲で、それらバーナに供給される燃料流量が増すように、燃料系統51−53への燃料流量指令値S51−S53を増大させて燃料流量調整弁61−63の開度を上げていく。
本実施例によれば、予混合気を燃焼して燃焼ガスを発生させる方式であるためNOx排出量が拡散燃焼方式の燃焼器に比べて抑えられる。
ステップS201,S202は実施例1のステップS101,S102と同様である。本実施例において、制御装置64は、燃料流量指令値S51が同ステップにおける目標値S511に達したら、ステップS202からステップS203に手順を移す。
ステップS203に手順を移したら、制御装置64は、燃料系統52による外側バーナ34aへの燃料供給を開始して部分負荷運転を開始する。続くステップS204において、制御装置64は、中央バーナ33及び外側バーナ34aのみに燃料を供給して運用している間、中央バーナ33及び外側バーナ34aで形成する火炎42’(図8参照)の消炎距離Dがそれらバーナにおける空気孔間距離dを超えない範囲で、中央バーナ33及び外側バーナ34aに供給される燃料流量が増すように、燃料系統51,52への燃料流量指令値S51,S52を増大させて燃料流量調整弁61,62の開度を上げていく。この間、制御装置64は、燃料流量指令値S51,S52が同ステップにおける目標値S512,S521に到達したかどうかを判定しており、燃料流量指令値S51,S52が目標値S512,S521に到達するまで中央バーナ33及び外側バーナ34aの燃料噴射量を増やしつつ部分負荷運転を継続する。部分負荷運転の間、中央バーナ33及び外側バーナ34aの火炎42’は3列目の空気孔列35よりも外側まで基部の外縁を広げているため、外側バーナ34bからの燃焼用空気が流入しても燃空比の低下による未燃分の増加は抑えられる。そして、燃料流量指令値S51,S52が目標値S512,S521に到達したら、制御装置64は手順をステップS205に移す。
ステップS205は実施例1のステップS103と実質的に同じであり、本ステップによって全バーナに燃料を供給する運転に移行する。この運転条件下では、全バーナにおいて空気孔間距離dよりも火炎の消炎距離Dが長くなり、全火炎が円錐状になる。火炎形状の切り替えの点では制御装置64による制御手順はこれで終了する。但し、全バーナに燃料を供給する運用に移行したあと定格負荷に達するまでの間、制御装置64は、中央バーナ33及び外側バーナ34a,34bにおいて火炎42の消炎距離Dが各バーナにおける空気孔間距離dを下回らない範囲でそれらバーナに供給される燃料流量が増すように、燃料系統51−53への燃料流量指令値S51−S53を増大させて燃料流量調整弁61−63の開度を上げていく。
起動時には、前の各実施例と同様、中央バーナ33を単独で燃焼させる。その際、本実施例では、中央バーナ33の1−3列目の空気孔列35から噴出する予混合気46による各消炎距離D1−D3を空気孔間距離dよりも短く調節する。具体的には、燃料系統51a,51bの燃料流量調整弁61a,61bを制御して消炎距離D1−D3を調節する。この状態下では、中央バーナ33で形成される火炎は、図8の火炎42’のように基部の外縁が3列目の空気孔列35よりも外側に来る。
中央バーナ33のみに燃料を供給して運用している間、制御装置64は、中央バーナ33における消炎距離D1−D3と空気孔間距離dとの間で上記関係(D1,D2,D3<d)を保つ範囲で中央バーナ33に供給される燃料流量が増すように、燃料系統51a,51bへの燃料流量指令値S51a,S51bを増大させて燃料流量調整弁61a,61bの開度を上げていく。この間、制御装置64は、燃料流量指令値S51a,S51bがステップS302における目標値S51a1,S51b1(設定値)に到達したかどうかを判定しており、燃料流量指令値S51a,S51bが目標値S51a1,S51b1に到達するまで中央バーナ33の燃料噴射量を増やしつつ中央バーナ33のみによる運用を継続する。そして、燃料流量指令値S51a,S51bが目標値S51a1,S51b1に到達したら、制御装置64は手順をステップS303に移す。
ステップS303に手順を移すと、制御装置64は、燃料系統52,53(図1参照)を開いて外側バーナ34への燃料供給を開始し、全バーナによる運用に移行する。全バーナに燃料を供給することで、中央バーナ33の局所燃空比は起動時よりも低下する。これに伴って、中央バーナ33においては、2,3列目の空気孔列35から噴出する予混合気46による消炎距離D1が空気孔間距離dよりも短く、1列目の空気孔列35から噴出する予混合気46による消炎距離D2が空気孔間距離dよりも長くなるように燃料系統51a,51bの燃料流量の配分を調節する。具体的には、燃料系統51a,51bの燃料流量調整弁61a,61bを制御して、例えば、2,3列目の空気孔32から噴出する予混合気に対して1列目の空気孔32から噴出する予混合気46の燃空比を上げる。この状態下では、中央バーナ33で形成される火炎の形状は、基部の外縁が1列目及び2列目の空気孔列35の間に来る円錐状に切り替わる。火炎形状の切り替えの点では制御装置64による制御手順はこれで終了する。但し、全バーナに燃料を供給する運用に移行したあと定格負荷に達するまでの間、制御装置64は、中央バーナ33及び外側バーナ34の双方において火炎形状が変化しない範囲でそれらバーナに供給される燃料流量を増加させていく。
3 タービン
8 発電機(負荷機器)
9 ガスタービン設備
2 燃焼器
25 燃料ノズル
31 空気孔プレート
32 空気孔
33 中央バーナ
34 外側バーナ
35 空気孔列
46 予混合気
50 ガス燃料(燃料)
51−53 燃料系統
64 制御装置
d,d1−d3 空気孔間距離
D,D1−D3 消炎距離
Claims (15)
- 同心円状の複数の空気孔列を有する空気孔プレートと、
前記空気孔プレートの対応する空気孔に向かってそれぞれ燃料を噴射する複数の燃料ノズルとを備え、
前記複数の空気孔列の全ての列において、周方向に隣接する空気孔間の距離が、同一の燃焼器に設けた複数の他のバーナの少なくとも一つへの燃料供給が遮断される運転条件下の火炎の消炎距離よりも長く設定されている
ことを特徴とするバーナ。 - 全ての内側の空気孔列における前記空気孔間の距離が、同一の燃焼器に設けたバーナの全てに燃料が供給される運転条件下の前記消炎距離よりも短く設定されていることを特徴とする請求項1のバーナ。
- 少なくとも最も外側の空気孔列における前記空気孔間の距離が、同一の燃焼器に設けたバーナの全てに燃料が供給される運転条件下の前記消炎距離よりも短く設定されていることを特徴とする請求項1のバーナ。
- 最も外側の空気孔列における空気孔間距離よりも最も内側の空気孔列における前記空気孔間距離が大きくしてあることを特徴とする請求項2又は3のバーナ。
- 空気孔プレートに同心円状の複数の空気孔列、及び前記空気孔列の対応する空気孔に向かってそれぞれ燃料を噴射する複数の燃料ノズルをそれぞれ備えた複数のバーナと、
前記複数のバーナのうち少なくとも中央に配置したバーナを対象として、前記空気孔を介して燃焼室に噴出する予混合気の燃空比を調節して火炎の消炎距離を変化させ、当該バーナの少なくとも最も外側の空気孔列における周方向に隣接する空気孔間の距離と前記消炎距離との大小関係を変化させることで火炎形状を制御する制御装置と
を備えたことを特徴とする燃焼器。 - 前記制御装置は、前記燃料ノズルへの燃料供給量を制御して燃空比を調節することを特徴とする請求項5の燃焼器。
- 前記制御装置は、前記火炎形状制御の対象とするバーナ以外のバーナの少なくとも一つへの燃料供給を遮断する運転条件下では、当該対象バーナの全ての空気孔列における前記空気孔間の距離よりも前記消炎距離を短くし、全てのバーナに燃料を供給する運転条件下では、当該対象バーナの全ての空気孔列における前記空気孔間の距離よりも前記消炎距離を長くすることを特徴とする請求項5の燃焼器。
- 前記火炎形状の制御対象となるバーナにおいては、最も外側の空気孔列における前記空気孔間距離よりも最も内側の空気孔列における前記空気孔間距離が大きくしてあり、
前記制御装置は、全てのバーナに燃料を供給する運転条件下では、当該対象バーナの前記最も内側の空気孔列の空気孔間距離よりも短く前記最も外側の空気孔列の空気孔間距離よりも長くなるように前記消炎距離を調節し、前記火炎形状制御の対象とするバーナ以外のバーナの少なくとも一つへの燃料供給を遮断する運転条件下では、当該対象バーナの全ての空気孔列における前記空気孔間の距離よりも前記消炎距離を短くすることを特徴とする請求項5の燃焼器。 - 前記火炎形状制御の対象とするバーナは、前記燃焼器の中央に配置したバーナであって、前記火炎形状制御の対象とするバーナ以外のバーナの少なくとも一つへの燃料供給を遮断する運転条件が、起動時の運転条件であることを特徴とする請求項7又は8の燃焼器。
- 前記複数のバーナのうちの前記燃焼器の中央よりも外側に配置したバーナであって、前記火炎形状制御の対象とするバーナ以外のバーナの少なくとも一つへの燃料供給を遮断する運転条件が、部分負荷の運転条件であることを特徴とする請求項7又は8の燃焼器。
- 前記火炎形状制御の対象とするバーナにおける内側の空気孔列に燃料を供給する一の燃料系統と、
前記火炎形状制御の対象とするバーナにおける外側の空気孔列に燃料を供給する他の燃料系統と
を備えていることを特徴とする請求項7又は8の燃焼器。 - 圧縮機と、
この圧縮機で圧縮された空気とともに燃料を燃焼する請求項5の燃焼器と、
この燃焼器で発生した燃焼ガスで駆動するタービンと、
このガスタービンの回転動力で駆動する負荷機器と
を備えたことを特徴とするガスタービン設備。 - 空気孔プレートに同心円状の複数の空気孔列、及び前記空気孔列の対応する空気孔に向かってそれぞれ燃料を噴射する複数の燃料ノズルをそれぞれ備えた複数のバーナを備えた燃焼器の制御方法であって、
前記複数のバーナのうち少なくとも中央に配置したバーナを対象として、前記空気孔を介して燃焼室に噴出する予混合気の燃空比を調節して火炎の消炎距離を変化させ、当該バーナの少なくとも最も外側の空気孔列における周方向に隣接する空気孔間の距離と前記消炎距離との大小関係を変化させることで火炎形状を制御する
ことを特徴とする燃焼器の制御方法。 - 前記火炎形状制御の対象とするバーナ以外のバーナの少なくとも一つへの燃料供給を遮断する運転条件下では、当該対象バーナの全ての空気孔列における前記空気孔間の距離よりも前記消炎距離を短くし、
全てのバーナに燃料を供給する運転条件下では、当該対象バーナの全ての空気孔列における前記空気孔間の距離よりも前記消炎距離を長くする
ことを特徴とする請求項13の燃焼器の制御方法。 - 全てのバーナに燃料を供給する運転条件下では、当該対象バーナの最も内側の空気孔列の空気孔間距離より短く最も外側の空気孔列の空気孔間距離より長くなるように前記消炎距離を調節し、
前記火炎形状制御の対象とするバーナ以外のバーナの少なくとも一つへの燃料供給を遮断する運転条件下では、当該対象バーナの全ての空気孔列における前記空気孔間の距離よりも前記消炎距離を短くする
ことを特徴とする請求項13の燃焼器の制御方法。
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