KR20170114942A - 가스 터빈 연소기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는 가스 터빈 연소기의 구조물의 과도한 온도 상승을 억제하여, 가스 터빈 연소기의 신뢰성을 확보하는 것이다.
본 발명의 가스 터빈 연소기(3)는 공기 구멍 플레이트(20)가, 복수의 공기 구멍(51A, 51B)으로 이루어지는 중앙 공기 구멍군(51)과, 복수의 공기 구멍(52A, 52B, 52C)으로 이루어지고, 중앙 공기 구멍군(51)을 둘러싸도록 형성된 복수의 외주 공기 구멍군(52)을 갖고, 인접하는 2개의 외주 공기 구멍군(52)과 중앙 공기 구멍군(51)으로 둘러싸인 영역에 위치하도록 공기 구멍 플레이트(20)에 형성된 구멍부(601) 및 온도 센서(401)와, 냉각제의 공급원(220)과, 구멍부(601)와 공급원(220)을 접속하는 냉각 배관(205)과, 냉각 배관(205)에 설치된 밸브(67, 68)와, 온도 센서(401)의 계측값에 기초하여 밸브(67, 68)를 구동하는 제어 장치(500)를 구비한다.

Description

가스 터빈 연소기 {GAS TURBINE COMBUSTOR}
본 발명은 가스 터빈 연소기에 관한 것이다.
최근, 지구 온난화의 방지, 자원의 유효 이용 등의 관점에서, 제철소에서 부생하는 코크스로 가스, 제유소에서 부생하는 오프 가스 등의 수소를 포함한 가스를 가스 터빈 연소기의 연료로서 이용하는 기운이 높아지고 있다. 이러한 종류의 연료(이하, 수소 함유 연료)는 연소 시에 지구 온난화의 원인이 되는 이산화탄소(CO2)의 배출량이 적어, 지구 온난화의 방지에 유효하다. 또한, 풍부한 자원인 석탄을 가스화하여 발전하는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트(IGCC 플랜트)에서는 가스 터빈 연소기에 공급되는 수소 함유 연료(석탄 가스화 가스) 중의 탄소분을 회수ㆍ저류하는 시스템(CCS)을 설치하여, CO2의 배출량을 더욱 삭감하고 있다.
그런데, 수소 함유 연료 중의 수소는 가연 범위가 넓고 연소 속도가 빠르기 때문에, 연소실 내의 벽면 근방에서 고온의 화염이 국소적으로 형성되어, 가스 터빈 연소기의 신뢰성이 손상될 가능성이 있다. 고온의 화염이 국소적으로 형성되는 것을 억제하는 방법으로서, 연료 분류와 연소용 공기 유로를 동축 상에 배치하고, 연료류를 공기류가 감싸는 동축의 분류로서 연소실에 공급하는 방법이 있다(특허문헌 1 등을 참조).
일본 특허 공개 제2003-148734호 공보
일반적으로, IGCC 플랜트에서는 가스 터빈의 배열에 의해 발생시킨 증기를 이용하여 석탄 가스화 가스를 생성하고 있으므로, 석탄 가스화 가스 이외의 기동용 연료(예를 들어, 오일 연료)로 가스 터빈을 기동시켜, 석탄 가스화 가스가 사용 가능해지는 부분 부하 조건에 있어서, 기동용 연료로부터 석탄 가스화 가스로 전환하고, 연소시키는 버너의 수를 제어하면서 정격 부하 조건까지 운전하고 있다. 또한, 일반적으로, 수소 함유 연료를 사용하는 경우, 착화에 실패하면 수소 함유 연료가 연소되지 않고 배출되어, 하류측의 가스 터빈 내에 있어서, 특히 수소 함유 연료 중의 수소가 원인으로 폭발이 일어날 가능성이 있다. 그로 인해, 상술한 바와 같이, 기동용 연료로 가스 터빈을 기동하는 운용 방법을 채용하여 안전성을 확보하고 있다.
그러나, 기동용 연료로부터 석탄 가스화 가스로 전환할 때, 각각의 연료에 의해 발생한 화염이 서로 간섭하고, 가스 터빈 연소기의 구조물의 온도가 과도하게 상승하여, 가스 터빈 연소기의 신뢰성이 저하될 가능성이 있다. 특히, 부생 가스나 석탄 가스화 가스의 조성은 플랜트의 운전 조건에 따라 다양하게 변화되므로, 구조물의 온도의 상승 방법이 크게 변화된다. 따라서, 운전 조건에 따라 구조물을 냉각하여 과도한 온도 상승을 억제하여, 가스 터빈 연소기의 신뢰성을 확보하는 것이 바람직하고, 이 점에 대해 특허문헌 1은 개량의 여지가 있다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것이고, 가스 터빈 연소기의 구조물의 과도한 온도 상승을 억제하여, 가스 터빈 연소기의 신뢰성을 확보하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 연료를 분사하는 복수의 연료 노즐과, 상기 복수의 연료 노즐에 대응하여 형성된 복수의 공기 구멍을 갖고, 상기 복수의 연료 노즐의 연료의 흐름 방향의 하류측에 형성된 공기 구멍 플레이트와, 상기 복수의 공기 구멍으로부터 분사된 연료와 공기를 연소시켜 연소 가스를 생성하는 연소실을 구비한 가스 터빈 연소기에 있어서, 상기 공기 구멍 플레이트는 복수의 상기 공기 구멍으로 이루어지는 중앙 공기 구멍군과, 복수의 상기 공기 구멍으로 이루어지고, 상기 중앙 공기 구멍군을 둘러싸도록 형성된 복수의 외주 공기 구멍군을 갖고, 인접하는 2개의 상기 외주 공기 구멍군과 상기 중앙 공기 구멍군으로 둘러싸인 영역에 위치하도록 상기 공기 구멍 플레이트에 형성된 구멍부 및 온도 센서와, 냉각제의 공급원과, 상기 구멍부와 상기 공급원을 접속하는 냉각 배관과, 상기 냉각 배관에 설치된 밸브와, 상기 온도 센서의 계측값에 기초하여 상기 밸브를 구동하는 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 가스 터빈 연소기의 구조물의 과도한 온도 상승을 억제하여, 가스 터빈 연소기의 신뢰성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 연소기를 적용한 가스 터빈 플랜트의 일 구성예를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 버너부를 하류측에서 본 도면.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 제어 장치의 주요부를 도시하는 개략도.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 연소기에 있어서의 연료 스테이징을 도시하는 도면.
도 5는 연료 전환 과정에 있어서의 화염 형성의 개념을 도시하는 도면.
도 6은 냉각제의 공급 수순을 도시하는 흐름도.
도 7은 비교예에 관한 가스 터빈 플랜트에 있어서의 연료 전환 과정의 연료 유량 및 메탈 온도의 변화를 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 가스 터빈 플랜트에 있어서의 연료 전환 과정의 연료 유량 및 메탈 온도의 변화를 도시하는 도면.
도 9는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 연소기를 적용한 가스 터빈 플랜트의 일 구성예를 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 버너부를 하류측에서 본 도면.
도 11은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 제어 장치의 주요부를 도시하는 개략도.
도 12는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 가스 터빈 플랜트에 있어서의 연료 전환 과정의 연료 유량 및 메탈 온도의 변화를 도시하는 도면.
<제1 실시 형태>
(구성)
1. 가스 터빈 플랜트
도 1은 본 실시 형태에 관한 가스 터빈 연소기(이하, 연소기)를 적용한 가스 터빈 플랜트의 일 구성예를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 가스 터빈 플랜트(1)는 압축기(공기 압축기)(2), 연소기(3), 터빈(4), 발전기(6) 및 기동용 모터(7)를 구비하고 있다.
압축기(2)는 기동용 모터(7)에 의해 기동되고, 흡기부(도시하지 않음)를 통해 대기로부터 흡입된 공기(101)를 압축하고 고압의 압축 공기(102)를 생성하여 연소기(3)에 공급한다. 연소기(3)는 압축기(2)로부터 공급된 압축 공기(102)를 연료 계통(26)(후술함)으로부터 공급되는 연료와 혼합하여 연소하고, 고온의 연소 가스(110)를 생성하여 터빈(4)에 공급한다. 터빈(4)은 연소기(3)로부터 공급된 연소 가스(110)가 팽창함으로써 구동된다. 터빈(4)을 구동한 연소 가스(110)는 배기 가스(111)로서 터빈(4)으로부터 배출된다. 발전기(6)는 터빈(4)에서 얻어진 구동력에 의해 회전하여, 전력을 발생한다. 본 실시 형태에서는 압축기(2), 터빈(4) 및 발전기(6)는 축(29)에 의해 서로 연결되어 있다.
2. 연소기
연소기(3)는 외통(10), 내통(12), 엔드 커버(13), 버너부(8), 연료 계통(26), 오일 연료 계통(27) 및 냉각 계통(35)을 구비하고 있다.
내통(12)은 버너부(8)의 연소 가스(110)의 흐름 방향의 하류측에 설치되어 있다. 이하, 연소 가스(110)의 흐름 방향의 「상류」 「하류」를 간단히 「상류」 「하류」라고 한다. 내통(12)은 원통상으로 형성되어, 압축기(2)로부터 공급되는 압축 공기(102)와 연소기(3)에서 생성되는 연소 가스(110)를 이격하고 있다. 외통(10)은 원통상으로 형성되어, 내통(12)의 외주측에 내통(12)을 덮도록 설치되어 있다. 외통(10)과 내통(12) 사이에 형성되는 환상의 공간은 압축기(2)로부터 연소기(3)에 공급되는 압축 공기(102)가 흐르는 환상 유로(24)를 구성하고 있다. 환상 유로(24)를 흐르는 압축 공기(102)는 내통(12)의 외벽면측으로부터 내통(12)을 대류 냉각한다. 내통(12)의 벽면에는 다수의 연통 구멍(25)이 형성되어 있다. 환상 유로(24)를 흐르는 압축 공기(102)의 일부는 연통 구멍(25)을 통해 환상 유로(24)로부터 내통(12)의 내부로 냉각 공기(103)로서 유입되어, 내통(12)의 필름 냉각에 사용된다. 환상 유로(24)를 흐르는 압축 공기(102) 중 내통(12)의 필름 냉각에 사용되지 않은 만큼은 환상 유로(24)를 버너부(8)를 향해 흘러, 버너부(8)에 연소 공기(102a)로서 유입한다. 버너부(8)에 유입된 연소 공기(102a)는 연료 계통(26)으로부터 버너부(8)에 공급된 연료와 함께 연소실(5) 내에 분사되어, 연소된다. 엔드 커버(연소기 엔드 커버)(13)는 버너부(8)의 환상 유로(24)를 흐르는 압축 공기(102)의 흐름 방향의 하류측에 설치되어 있고, 외통(10)의 일단[환상 유로(24)를 흐르는 압축 공기(102)의 흐름 방향의 하류측의 단부]을 폐지하고 있다. 내통(12)의 내측에는 연소실(5)이 형성되어 있다. 연소실(5)에서는 버너부(8)의 공기 구멍 플레이트(20)(후술함)에 형성된 공기 구멍군(51, 52)으로부터 분사된 연료와 연소 공기(102a)의 혼합기가 연소되어, 연소 가스(110)가 생성된다.
2-1. 버너부
버너부(8)는 내통(12)의 중심축에 직교하도록 배치되어 있고, 내통(12)의 상류측의 단부를 전면적으로 막고 있다. 버너부(8)는 오일 노즐(40), 복수의 연료 노즐(22, 28), 연료 분배기(23, 30) 및 공기 구멍 플레이트(20)를 구비하고 있다. 본 실시 형태에서는, 버너부(8)는 연소실(5)의 상류측에 내통(12)과 동축에 배치된 하나의 파일럿 버너(32)와 파일럿 버너(32)의 주위에 배치된 복수의 메인 버너(33)로 이루어진다. 구체적으로, 오일 노즐(40), 복수의 연료 노즐(파일럿 버너용 연료 노즐)(22), 연료 분배기(파일럿 버너용 연료 분배기)(23) 및 공기 구멍 플레이트(20)의 공기 구멍군(51)은 파일럿 버너(32)를 구성하고, 복수의 연료 노즐(메인 버너용 연료 노즐)(28), 연료 분배기(메인 버너용 연료 분배기)(30) 및 공기 구멍 플레이트(20)의 공기 구멍군(52)은 메인 버너(33)를 구성하고 있다. 파일럿 버너(32) 및 메인 버너(33)는, 각각 동심원상의 복수(본 실시 형태에서는 3개)의 환상 열로 구분되어 있다. 이하, 파일럿 버너(32) 및 메인 버너(33)의 복수의 환상 열을 내주측으로부터 외주측을 향해 각각 제1 열, 제2 열, 제3 열이라고 적절히 칭한다.
오일 노즐(40)은 연소실(5)에 기동용 연료를 공급하는 것이다. 오일 노즐(40)은 엔드 커버(13)에 의해 내통(12)과 동축에 지지되어 있다. 즉, 오일 노즐(40)의 선단부는 연소실(5)에서 볼 때, 공기 구멍 플레이트(20)의 중심[파일럿 버너(32)의 제1 열]에 위치하고 있다. 기동용 연료에는 경유, 등유, A중유 등의 오일 연료, 혹은 천연 가스, 프로판 등의 가스 연료를 사용할 수 있다.
복수의 연료 노즐(22)은 파일럿 버너(32)의 제2, 제3 열에 동심원상으로 배치되어 있고, 각 열의 전체 주위에 걸쳐서 설치되어 있다(환상으로 배치되어 있음). 복수의 연료 노즐(22)은 연료 분배기(23)에 지지되어 있다. 연료 분배기(23)는 엔드 커버(13)에 지지되어 있다. 연료 노즐(22)은 선단이 원통상으로 형성되어 있고, 연료 계통(26)으로부터 공급된 연료를 공기 구멍 플레이트(20)의 공기 구멍군(51)을 향해 분사한다.
복수의 연료 노즐(28)은 메인 버너(33)의 제1 내지 제3 열에 동심원상으로 배치되어 있고, 각 열의 전체 주위에 걸쳐서 설치되어 있다(환상으로 배치되어 있음). 제1 열에 배치된 연료 노즐(28)은 연료 분배기(30B)에 지지되고, 제2, 제3 열에 배치된 연료 노즐(28)은 연료 분배기(30C)에 지지되어 있다. 연료 분배기(30B, 30C)는 엔드 커버(13)에 지지되어 있다. 연료 노즐(28)은 선단이 원통상으로 형성되어 있고, 연료 계통(26)으로부터 공급된 연료를 공기 구멍 플레이트(20)의 공기 구멍군(52)을 향해 분사한다.
공기 구멍 플레이트(20)는 공기 구멍군(51, 52)을 갖고 있다. 공기 구멍 플레이트(20)는 내통(12)과 동축의 원반상의 플레이트이며, 복수의 연료 노즐(22, 28)의 연료의 흐름 방향의 하류측에 복수의 연료 노즐(22, 28)의 선단으로부터 이격하여 배치되어 있다. 즉, 본 실시 형태에서는 복수의 연료 노즐(22, 28)은 공기 구멍군(51, 52)에 삽입되어 있지 않다. 공기 구멍 플레이트(20)의 중앙 영역[파일럿 버너(32)를 구성하는 영역]은 연료 노즐(22)측(연료의 흐름 방향의 상류측)에 오목하게 되어 있다. 즉, 공기 구멍 플레이트(20)의 중앙 영역에 있어서의 연소실(5)측의 벽면(301) 및 연료 노즐(22)측의 벽면은 중앙 영역을 제외한 영역에 있어서의 연소실(5)측의 벽면(302) 및 연료 노즐(22)측의 벽면에 대해, 공기 구멍 플레이트(20)의 중심을 향해 연료의 흐름 방향의 상류측으로 경사져 있다.
공기 구멍군(중앙 공기 구멍군)(51)은 공기 구멍 플레이트(20)의 중앙 영역에 형성되어 있다. 중앙 공기 구멍군(51)은 복수의 공기 구멍(51A, 51B)으로 이루어진다. 본 실시 형태에서는, 복수의 공기 구멍(51A, 51B)은 파일럿 버너(32)의 제2, 제3 열에 동심원상으로 배치되어, 각 공기 구멍열의 전체 주위에 걸쳐서 설치되어 있다. 복수의 공기 구멍(51A, 51B)은 하나의 공기 구멍이 하나의 연료 노즐(22)의 연료의 흐름 방향의 하류측에 그 연료 노즐(22)에 대응하여 배치되어 있다. 복수의 공기 구멍(51A, 51B)은 입구(연료의 흐름 방향의 상류측의 개구부) 및 출구(연료의 흐름 방향의 하류측의 개구부)를 구성하는 2개의 원과 중심축이 직교하는 직원기둥상으로 형성되어 있다. 한편, 상술한 바와 같이, 공기 구멍 플레이트(20)의 중앙 영역은 연료 노즐(22)측에 오목하게 되어 있으므로, 복수의 공기 구멍(51A, 51B)은 중심축이 대응하는 연료 노즐(22)의 축에 대해 공기 구멍 플레이트(20)의 직경 방향 내측으로 경사져 있다.
공기 구멍군(외주 공기 구멍군)(52)은 공기 구멍 플레이트(20)의 중앙 공기 구멍군(51)의 외주측에 중앙 공기 구멍군(51)을 둘러싸도록 형성되어 있다. 외주 공기 구멍군(52)은 복수의 공기 구멍(52A, 52B, 52C)으로 이루어진다. 복수의 공기 구멍(52A 내지 52C)은 메인 버너(33)의 제1 내지 제3 열에 동심원상으로 배치되어, 각 공기 구멍열의 전체 주위에 걸쳐서 형성되어 있다. 복수의 공기 구멍(52A 내지 52C)은 하나의 공기 구멍이 하나의 연료 노즐(28)의 연료의 흐름 방향의 하류측에 그 연료 노즐(28)에 대응하여 배치되어 있다. 복수의 공기 구멍(52A 내지 52C)은 입구 및 출구를 구성하는 2개의 원과 중심축이 직교하는 직원기둥상으로 형성되어, 대응하는 연료 노즐(28)과 동축에 배치되어 있다.
2-2. 연료 계통
연료 계통(26)은 연료 공급원(200), 공통 연료 배관(207), 제1 내지 제3 연료 배관(201 내지 203) 및 제1 내지 제3 연료 공급 노즐(41 내지 43)을 구비하고 있다. 연료 공급원(200)은 제1 내지 제3 연료 공급 노즐(41 내지 43)에 공급되는 연료의 공급원이다. 공통 연료 배관(207)은 연료 공급원(200)에 접속하고 있다. 공통 연료 배관(207)에는 연료 차단 밸브(개폐 밸브)(60)가 설치되어 있다. 제1 내지 제3 연료 배관(201 내지 203)은 공통 연료 배관(207)으로부터 병렬로 분기하고, 제1 내지 제3 연료 공급 노즐(41 내지 43)에 접속하고 있다. 제1 내지 제3 연료 배관(201 내지 203)에는 제1 내지 제3 연료 유량 조절 밸브(61 내지 63)가 설치되어 있다. 제1 내지 제3 연료 공급 노즐(41 내지 43)은 연료 분배기(23, 30B, 30C)에 접속하고 있다. 또한, 공통 연료 배관(207)으로부터 분기하는 연료 배관의 수는 3개로 한정되지 않는다.
연료 공급원(200)으로부터 제1 내지 제3 연료 배관(201 내지 203)을 경유하여 제1 내지 제3 연료 공급 노즐(41 내지 43)에 유도된 연료는 연료 분배기(23, 30B, 30C)에 공급된다. 제1 연료 공급 노즐(41)을 통해 연료 분배기(23)에 공급된 연료(F1 연료)는 연료 노즐(22)의 선단으로부터 분사되어 연소실(5)에 공급된다. 제2, 제3 연료 공급 노즐(42, 43)을 통해 연료 분배기(30B, 30C)에 공급된 연료(F2, F3 연료)는 연료 노즐(28)의 선단으로부터 분사되어 연소실(5)에 공급된다. F1 연료의 유량은 제1 연료 유량 조절 밸브(61), F2 연료의 유량은 제2 연료 유량 조절 밸브(62), F3 연료의 유량은 제3 연료 유량 조절 밸브(63)에 의해 각각 조절된다. 본 실시 형태에서는, 제1 내지 제3 연료 유량 조절 밸브(61 내지 63)에 의해 F1 내지 F3 연료의 유량을 개별로 조절함으로써, 가스 터빈 플랜트(1)의 발전량이 제어된다. 또한, F1 내지 F3 연료에는 코크스로 가스, 제유소 오프 가스, 석탄 가스화 가스 등의 수소나 일산화탄소를 포함한 가스 연료, 혹은 천연 가스 등을 사용할 수 있다.
2-3. 오일 연료 계통
오일 연료 계통(27)은 오일 연료 공급원(210) 및 오일 연료 배관(204)을 구비하고 있다. 오일 연료 공급원(210)은 오일 노즐(40)에 공급되는 오일 연료의 공급원이다. 오일 연료 배관(204)은 오일 연료 공급원(210)과 오일 노즐(40)을 접속하고 있다. 오일 연료 배관(204)에는 오일 연료 차단 밸브(개폐 밸브)(65) 및 오일 연료 유량 조절 밸브(66)가 설치되어 있다. 오일 연료 공급원(210)으로부터 오일 연료 배관(204)을 경유하여 오일 노즐(40)에 유도된 오일 연료는 오일 노즐(40)의 선단으로부터 분사되어 연소실(5)에 공급된다. 오일 노즐(40)에 공급되는 오일 연료의 유량은 오일 연료 유량 조절 밸브(66)에 의해 조절된다.
2-4. 냉각 계통
냉각 계통(35)은 냉각제 공급원(220), 냉각 배관(205), 냉각 노즐(31), 열전대(401), 냉각 구멍(601) 및 제어 장치(500)를 구비하고 있다. 냉각제 공급원(220)은 냉각 구멍(601)에 공급되는 냉각제의 공급원이다. 냉각 배관(205)은 냉각제 공급원(220)과 냉각 노즐(31)을 접속하고 있다. 냉각 노즐(31)은 냉각 구멍(601)에 접속하고 있다. 냉각제 공급원(220)으로부터 냉각 배관(205)을 경유하여 냉각 노즐(31)에 유도된 냉각제는 냉각 구멍(601)을 통해 연소실(5)에 분사된다. 냉각 배관(205)에는 냉각제 차단 밸브(개폐 밸브)(67) 및 냉각제 유량 조절 밸브(68)가 설치되어 있다. 본 실시 형태에서는 냉각제 차단 밸브(67) 및 냉각제 유량 조절 밸브(68)는 제어 장치(500)에 전기적으로 접속하고 있다. 냉각제 차단 밸브(67)는 제어 장치(500)로부터의 신호 S1, S2를 입력하여 냉각 배관(205)의 개통 및 차단을 전환한다. 구체적으로, 냉각제 차단 밸브(67)는 제어 장치(500)로부터의 신호(개통 신호) S1을 입력했을 때 냉각 배관(205)을 개통하고, 제어 장치(500)로부터의 신호(차단 신호) S2를 입력했을 때 냉각 배관(205)을 차단한다. 냉각제 유량 조절 밸브(68)는 제어 장치(500)로부터의 신호 S3, S4에 따라 밸브 개방도가 조절된다. 구체적으로, 냉각제 유량 조절 밸브(68)는 제어 장치(500)로부터의 신호(개방도 명령 신호) S3을 입력했을 때 신호 S3에 따른 개방도로 조정되고, 제어 장치(500)로부터의 신호(폐지 명령 신호) S4를 입력했을 때 개방도가 제로로 조정된다[즉, 냉각제 유량 조절 밸브(68)가 폐지됨]. 냉각제 유량 조절 밸브(68)의 개방도를 조정함으로써, 냉각제 공급원(220)으로부터 냉각 구멍(601)에 공급되는 냉각제의 유량이 조절된다.
도 2는 본 실시 형태에 관한 버너부를 하류측에서 본 도면이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 중앙 공기 구멍군(51)의 주위에 6개의 외주 공기 구멍군(52)이 형성되어 있다. 이하, 중앙 공기 구멍군(51)의 상측에 도시된 외주 공기 구멍군(52)으로부터 시계 방향으로 외주 공기 구멍군(52a 내지 52f)이라고 적절히 칭한다.
열전대(온도 센서)(401) 및 냉각 구멍(구멍부)(601)은 인접하는 2개의 외주 공기 구멍군(52)과 중앙 공기 구멍군(51)으로 둘러싸인 영역에 위치하도록 공기 구멍 플레이트(20)에 형성되어 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 공기 구멍 플레이트(20)의 인접하는 2개의 외주 공기 구멍군(52a, 52b, 52b, 52c, 52c, 52d, 52d, 52e, 52e, 52f 및 52f, 52a)과 중앙 공기 구멍군(51)으로 둘러싸인 영역 Ra 내지 Rf에 열전대[401(401a 내지 401f)] 및 냉각 구멍[601(601a 내지 601f)]이 하나씩 형성되어 있다. 이하, 열전대(401a) 및 냉각 구멍(601a)에 대해 설명하지만, 열전대(401b 내지 401f) 및 냉각 구멍(601b 내지 601f)에 대해서도 마찬가지이다.
냉각 구멍(601a)은 공기 구멍 플레이트(20)의 중심으로부터 연장하고, 인접하는 2개의 외주 공기 구멍군(52a, 52b) 사이를 통과하는 직선 La 상에 형성되어 있다. 냉각 구멍(601a)은 냉각제의 흐름 방향의 상류측의 개구부 및 하류측의 개구부를 구성하는 2개의 원과 중심축이 직교하는 직원기둥상으로 형성되어, 냉각 노즐(31)과 동축에 배치되어 있다(도 1을 참조). 냉각 구멍(601a)에 공급되는 냉각제에는 산소 분리 설비(도시하지 않음)에서 생성된 질소, 혹은 증기, 물 등을 사용할 수 있다. 또한, 냉각 구멍(601a)은 냉각 노즐(31)과 동축에 배치되는 구성으로 한정되지 않고, 예를 들어 냉각 노즐(31)의 축에 대해 경사져서 배치되어도 된다.
열전대(401a)는 공기 구멍 플레이트(20)의 영역 Ra에 있어서의 메탈 온도 Tm을 계측하는 것이다. 열전대(401a)는 직선 La 상에 냉각 구멍(601a)에 인접하여 설치되어 있다. 또한, 본 명세서에 있어서 「인접한다」란, 열전대(401a)가, 냉각 구멍(601a)을 흐르는 냉각제로부터 영향을 받는 일이 없는 최소 거리만큼 냉각 구멍(601a)으로부터 이격되어 설치되어 있는 상태를 말한다. 열전대(401a)는 공기 구멍 플레이트(20)의 연소실(5)측의 벽면(302)으로부터 연료의 흐름 방향의 상류측을 향해 형성된 열전대용 구멍부(도시하지 않음)에 삽입되어 설치되어 있다.
도 3은 본 실시 형태에 관한 제어 장치의 주요부를 도시하는 개략도이다. 제어 장치(500)는 열전대(401)로 계측된 메탈 온도 Tm에 기초하여 냉각제 차단 밸브(67) 및 냉각제 유량 조절 밸브(68)를 구동하는 것이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 제어 장치(500)는 온도 비교부(501), 냉각제 유량 연산부(502) 및 기억부(503)를 구비하고 있다.
온도 비교부(501)는 열전대(401)와 전기적으로 접속하고 있다. 온도 비교부(501)는 열전대(401)로 계측된 공기 구멍 플레이트(20)의 영역 Ra 내지 Rf에 있어서의 메탈 온도 Tm 중 최댓값과 상한값(설정값) Tmax를 비교한다. 상한값 Tmax는 연소기(3)의 구조물[예를 들어, 공기 구멍 플레이트(20)]이 구조 강도를 유지할 수 있는 최대 온도이다. 온도 비교부(501)는 냉각제 유량 연산부(502)와 전기적으로 접속하고 있고, 메탈 온도 Tm이 상한값 Tmax보다 큰 경우에, 냉각제 유량 연산부(502)에 메탈 온도 Tm에 관한 신호(메탈 신호)를 출력한다. 한편, 온도 비교부(501)는 열전대(401)로 계측된 공기 구멍 플레이트(20)의 영역 Ra 내지 Rf에 있어서의 메탈 온도 Tm 중 최솟값과 하한값(설정값) Tmin을 비교한다. 하한값 Tmin은 냉각제에 의해 연소실(5) 내의 화염 온도가 저하되어 화염이 불안정화되는 일이 없는 최소 온도이다. 온도 비교부(501)는 메탈 온도 Tm이 하한값 Tmin 미만인 경우에, 냉각제 유량 연산부(502)에 신호(정지 신호)를 출력한다.
냉각제 유량 연산부(연산부)(502)는 기억부(503)와 전기적으로 접속하고 있다. 연산부(502)는 온도 비교부(501)로부터 출력된 메탈 신호를 입력하면, 메탈 온도 Tm에 기초하여, 기억부(503)에 저장된 메탈 온도 Tm과 냉각제 유량 조절 밸브(68)의 개방도의 관계를 나타내는 테이블로부터 냉각제 유량 조절 밸브(68)의 개방도를 취득(연산)한다. 그리고, 연산부(502)는 냉각제 차단 밸브(67)에 신호 S1을 출력하여 냉각 배관(205)을 개통하고, 냉각제 유량 조절 밸브(68)에 신호 S3을 출력하여 냉각제 유량 조절 밸브(68)의 개방도를 취득한 개방도로 조정하고, 냉각 구멍(601)을 통해 연소실(5)에 냉각제를 공급한다. 한편, 연산부(502)는 온도 비교부(501)로부터 정지 신호를 입력하면, 냉각제 차단 밸브(67)에 신호 S2를 출력하여 냉각 배관(205)을 차단하고, 냉각제 유량 조절 밸브(68)에 신호 S4를 출력하여 냉각제 유량 조절 밸브(68)의 개방도를 제로로 조정한다.
(동작)
도 4는 본 실시 형태에 관한 연소기에 있어서의 연료 스테이징을 도시하는 도면이다. 도 4는 가스 터빈이 기동을 개시하고 나서 정격 회전수 정격 부하 상태(FSFL)에 도달할 때까지의 연료(오일 연료 및 F1 내지 F3 연료)의 유량 변화를 도시하고 있다. 도 4에 있어서, 횡축은 경과 시간, 종축은 연료 유량을 나타내고 있다. 또한, 도 4의 최상단에는 가스 터빈이 기동하고 나서 FSFL에 도달할 때까지의 버너부(8)의 연소 모드를 도시하고 있고, 연료가 분사되는 부분이 흑색으로 나타나 있다.
이하, 가스 터빈이 기동을 개시하고 나서 FSFL에 도달할 때까지의 과정을 5개의 시점(시점 a 내지 e)으로 구획하여, 연료 유량의 변화에 대해 설명한다. 시점 a는 기동을 개시하는 시점, 시점 b는 정격 회전수 무부하 상태(FSNL)에 도달한 시점, 시점 c는 연료를 전환하는 시점, 시점 d는 전체 연소 모드로 전환하는 시점, 시점 e는 FSFL에 도달한 시점이다.
ㆍ 시점 a 내지 b
시점 a에 있어서, 압축기(2)를 기동시켜, 터빈(4)이 착화 가능 조건을 만족시키는 회전수에 도달할 때까지 승속하면, 오일 연료 공급원(210)으로부터 오일 노즐(40)에 오일 연료를 공급하여 연소하고, 연소기(3)를 착화시킨다. 터빈(4)이 소정 회전수에 도달한 후에도 오일 연료의 유량을 증가시켜, 가스 터빈이 FSNL에 도달할 때까지 터빈(4)이 승속된다. 이 사이, 연료 노즐(22, 28)에는 F1, F2 연료는 공급되지 않는다. 또한, 가스 터빈이 기동을 개시하고 나서 부하를 취하기 시작할 때까지의 시간적인 구간을 승속 영역이라고 한다.
ㆍ 시점 b 내지 c
시점 b에 있어서, 가스 터빈이 FSNL에 도달하면, 발전기(6)로부터 부하를 취하기 시작하여 부하를 증가시킨다. 부하의 증가에 따라 오일 노즐(40)에 공급하는 오일 연료의 유량을 증가시켜, 연료의 전환을 개시하는 규정의 부분 부하 조건에 도달할 때까지 부하를 상승시킨다.
ㆍ 시점 c 내지 d
시점 c에 있어서, 연료의 전환을 개시하는 미리 정해진 부분 부하 조건에 도달하면, 오일 연료의 유량을 감소시키면서 F1, F2 연료의 유량을 증가시켜, 연료의 전환을 개시한다. 연소기(3)는 연료 공급원(200)으로부터 제1, 2 연료 배관(201, 202)에 공급된 F1, F2 연료가 파일럿 버너(32)의 연료 노즐(22) 및 메인 버너(33)의 제1 열의 연료 노즐(28)로부터 분사되는 연소 모드(부분 연소 모드)로 가동한다.
ㆍ 시점 d 내지 e
시점 d에 있어서, 연소 모드를 전환하는 규정의 부분 부하 조건에 도달하면, 연소기(3)는 연료 공급원(200)으로부터 제1 내지 제3 연료 배관(201 내지 203)에 공급된 F1 내지 F3 연료가 파일럿 버너(32)의 연료 노즐(22) 및 메인 버너(33)의 제1 내지 제3 열의 연료 노즐(28)로부터 분사되는 연소 모드(전체 연소 모드)로 가동한다. 그 후, F1 내지 F3 연료의 유량을 증가시켜, 가스 터빈이 FSFL에 도달한다. 또한, 가스 터빈이 FSNL에 도달하고 나서 FSFL에 도달할 때까지의 시간적인 구간을 부하 상승 영역이라고 한다.
이어서, 냉각제의 공급 수순에 대해 설명한다.
도 5는 연료 전환 과정에 있어서의 화염 형성의 개념을 도시하는 도면이다.
가스 터빈이 기동을 개시하고 나서 FSFL에 도달할 때까지의 과정 중, 특히 시점 c 내지 d에서는, 도 5에 도시한 바와 같이 오일 연료에 의한 화염과 가스 연료(F1, F2 연료)에 의한 화염이 간섭함으로써, 공기 구멍 플레이트(20)의 메탈 온도가 과도하게 상승할 수 있다. 특히, 중앙 공기 구멍군(51)의 출구에서는 오일 연료에 의한 화염과 가스 연료에 의한 화염의 2개의 화염이 형성되기 때문에, 가스 연료에 의한 화염의 열로 오일 연료의 미립화와 증발이 촉진되고, 오일 연료의 연소가 촉진된다. 그 결과, 오일 연소 파일럿 화염(81)이 강화되어, 오일 연소 파일럿 강화 화염(82)으로서 복수의 외주 공기 구멍군(52) 사이의 영역으로 확대된다. 따라서, 특히, 공기 구멍 플레이트(20)의 인접하는 2개의 외주 공기 구멍군(52)과 중앙 공기 구멍군(51)으로 둘러싸인 영역 Ra 내지 Rf에 있어서의 메탈 온도가 과도하게 상승할 수 있다.
도 6은 냉각제의 공급 수순을 도시하는 흐름도이다.
연료의 전환이 개시되면, 도 6에 도시한 바와 같이 열전대(401)는 메탈 온도 Tm을 계측하여(스텝 S1), 제어 장치(500)의 온도 비교부(501)에 출력한다.
온도 비교부(501)는 열전대(401)로 계측된 공기 구멍 플레이트(20)의 영역 Ra 내지 Rf에 있어서의 메탈 온도 Tm 중 최댓값과 상한값 Tmax를 비교한다(스텝 S2). 구체적으로, 메탈 온도 Tm이 상한값 Tmax보다 큰(Tmax<Tm) 경우(예), 온도 비교부(501)는 메탈 신호를 연산부(502)에 출력한다. 그리고, 제어 장치(500)는 수순을 스텝 S3으로 옮긴다. 반대로, 메탈 온도 Tm이 상한값 Tmax 이하(Tmax≥Tm)인 경우(아니오), 제어 장치(500)는 수순을 스텝 S1로 복귀된다.
연산부(502)는 온도 비교부(501)가 출력한 메탈 신호를 입력하면, 메탈 온도 Tm에 기초하여 냉각제 유량 조절 밸브(68)의 개방도를 취득하고, 냉각제 차단 밸브(67)에 신호 S1, 냉각제 유량 조절 밸브(68)에 신호 S3을 출력한다(스텝 S3).
계속해서, 열전대(401)는 메탈 온도 Tm을 계측하여(스텝 S4), 온도 비교부(501)에 출력한다.
온도 비교부(501)는 열전대(401)로 계측된 공기 구멍 플레이트(20)의 영역 Ra 내지 Rf에 있어서의 메탈 온도 Tm 중 최솟값과 하한값 Tmin을 비교한다(스텝 S5). 구체적으로, 메탈 온도 Tm이 하한값 Tmin 미만(Tm<Tmin)인 경우(예), 온도 비교부(501)는 연산부(502)에 신호를 출력한다. 반대로, 메탈 온도 Tm이 하한값 Tmin 이상(Tmin≤Tm)인 경우(아니오), 제어 장치(500)는 수순을 스텝 S4로 복귀시킨다.
연산부(502)는 온도 비교부(501)로부터의 신호를 입력하면, 냉각제 차단 밸브(67)에 신호 S2, 냉각제 유량 조절 밸브(68)에 신호 S4를 출력하고(스텝 S6), 제어 장치(500)는 수순을 종료한다.
(효과)
(1) 도 7은 비교예에 관한 가스 터빈 플랜트에 있어서의 연료 전환 과정의 연료 유량 및 메탈 온도의 변화를 도시하는 도면, 도 8은 본 실시 형태에 관한 가스 터빈 플랜트에 있어서의 연료 전환 과정의 연료 유량 및 메탈 온도의 변화를 도시하는 도면이다. 도 7, 도 8에 있어서, 횡축은 경과 시간, 종축은 연료 유량, 메탈 온도 및 냉각제 유량(도 8만)을 나타내고 있다. 또한, 시각 to는 연료 전환의 개시 시각(오일 전소의 종료 시각), 시각 tg는 연료 전환의 완료 시각(가스 전소의 개시 시각)을 나타내고 있다. 또한, 도 7, 도 8에 있어서의 메탈 온도 Tm은 열전대(401)로 계측된 공기 구멍 플레이트(20)의 영역 Ra 내지 Rf에 있어서의 메탈 온도 중 최댓값의 것을 나타내고 있다.
도 7에 예시한 바와 같이, 비교예에서는 시각 to를 경과한 후, 오일 연료의 유량이 감소하고 가스 연료의 유량이 증가하면, 상술한 이유에 의해 메탈 온도 Tm이 상승하고, 시각 tc에서 메탈 온도 Tm이 상한값 Tmax를 아래로부터 위에 걸쳐서 상한값 Tmax보다 커진다. 그 후, 오일 연료의 유량의 감소에 수반하여 오일 연소 파일럿 강화 화염(82)이 약해지면, 메탈 온도 Tm은 저하되고, 시각 td에서 상한값 Tmax를 위로부터 아래에 걸쳐서 상한값 Tmax보다 작아진다. 그 후, 시각 tg에서 연료의 전환이 완료된다. 이상과 같이, 비교예에서는 연료의 전환 과정에 있어서, 메탈 온도 Tm이 상한값 Tmax보다 커지는[공기 구멍 플레이트(20)의 온도가 과도하게 상승함] 시간이 존재한다.
이에 대해, 본 실시 형태에서는 공기 구멍 플레이트(20)의 인접하는 2개의 외주 공기 구멍군(52)과 중앙 공기 구멍군(51)으로 둘러싸인 영역 Ra 내지 Rf에 열전대(401) 및 냉각 구멍(601)을 형성하고, 열전대(401)의 계측값에 기초하여 냉각 구멍(601)에 냉각제를 공급하고 있다. 그로 인해, 도 8에 예시한 바와 같이, 냉각 구멍(601)을 흐르는 냉각제에 의해 공기 구멍 플레이트(20)를 냉각하여, 메탈 온도 Tm을 저하시킬 수 있다. 따라서, 공기 구멍 플레이트(20)의 과도한 온도 상승을 억제하여, 연소기(3)의 신뢰성을 확보할 수 있다.
(2) 상술한 바와 같이, 오일 연소 파일럿 강화 화염(82)은 복수의 외주 공기 구멍군(52) 사이에 확대하기 위해, 공기 구멍 플레이트(20)의 인접하는 2개의 외주 공기 구멍군(52)과 중앙 공기 구멍군(51)으로 둘러싸인 영역 중, 특히, 공기 구멍 플레이트(20)의 중심으로부터 연장하고, 인접하는 2개의 외주 공기 구멍군(52) 사이를 통과하는 직선 상에 위치하는 영역에서 온도가 상승하기 쉽다. 이에 대해, 본 실시 형태에서는 공기 구멍 플레이트(20)의 중심으로부터 연장하고, 인접하는 2개의 외주 공기 구멍군(52) 사이를 통과하는 직선 상에 냉각 구멍(601)을 형성하고 있으므로, 온도가 상승하기 쉬운 영역을 효과적으로 냉각할 수 있다.
(3) 본 실시 형태에서는 열전대(401)의 계측값(메탈 온도 Tm)과 상한값 Tmax를 비교하여, 열전대(401)의 계측값이 상한값 Tmax보다 큰 경우에 냉각 구멍(601)에 냉각제를 공급하고 있다. 그로 인해, 도 8에 예시한 바와 같이, 메탈 온도 Tm을 상한값 Tmax 이하로 유지할 수 있고, 공기 구멍 플레이트(20)의 구조 강도를 확보하여, 연소기(3)의 신뢰성을 더 향상시킬 수 있다.
(4) 본 실시 형태에서는 열전대(401)의 계측값(메탈 온도 Tm)과 하한값 Tmin을 비교하여, 열전대(401)의 계측값이 하한값 Tmin 미만인 경우에 냉각 구멍(601)으로의 냉각제의 공급을 정지시키고 있다. 그로 인해, 도 8에 예시한 바와 같이, 메탈 온도 Tm을 하한값 Tmin 이상으로 유지할 수 있고, 냉각제에 의해 연소실(5) 내의 화염 온도가 저하되어 화염이 불안정화되는 것을 회피하여, 연소기(3)의 신뢰성을 더 향상시킬 수 있다.
<제2 실시 형태>
(구성)
도 9는 본 실시 형태에 관한 연소기를 적용한 가스 터빈 플랜트의 일 구성예를 나타내는 도면이다. 도 9에 있어서, 상기 제1 실시 형태와 동등한 부분에는 동일한 부호를 부여하여, 적절히 설명을 생략한다.
본 실시 형태는 냉각 계통(35)이, 냉각 배관(206), 냉각 노즐(34), 열전대(402) 및 냉각 구멍(602)을 더 구비하는 점에서 제1 실시 형태와 상이하다. 그 밖의 점은 제1 실시 형태와 마찬가지이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 냉각 배관(206)은 냉각 배관(205)으로부터 분기하여, 냉각제 공급원(220)과 냉각 노즐(34)을 접속하고 있다. 냉각 노즐(34)은 냉각 구멍(602)에 접속하고 있다. 냉각제 공급원(220)으로부터 냉각 배관(206)을 경유하여 냉각 노즐(34)에 유도된 냉각제는 냉각 구멍(602)을 통해 연소실(5)에 분사된다. 냉각 배관(206)에는 냉각제 유량 조절 밸브(69)가 설치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 냉각제 유량 조절 밸브(69)는 제어 장치(500)에 전기적으로 접속하고 있다. 냉각제 유량 조절 밸브(69)는 제어 장치(500)로부터의 신호 S5, S6에 따라 밸브 개방도가 조정된다. 구체적으로, 냉각제 유량 조절 밸브(69)는 제어 장치(500)로부터의 신호(개방도 명령 신호) S5를 입력했을 때 신호 S5에 따른 개방도로 조정되고, 제어 장치(500)로부터의 신호(폐지 명령 신호) S6을 입력했을 때 개방도가 제로로 조정된다[즉, 냉각제 유량 조절 밸브(69)가 폐지됨]. 냉각제 유량 조절 밸브(69)의 개방도를 조정함으로써, 냉각제 공급원(220)으로부터 냉각 구멍(602)에 공급되는 냉각제의 유량이 조절된다. 냉각 구멍(다른 구멍부)(602)은 인접하는 2개의 외주 공기 구멍군(52) 사이에 위치하도록, 공기 구멍 플레이트(20)에 적어도 하나 형성되어 있다. 열전대(다른 온도 센서)(402)는 냉각 구멍(602)에 인접하여 설치되어 있다. 냉각 구멍(602) 및 열전대(402)는 냉각 구멍(601) 및 열전대(402)와 동일한 구성이다.
도 10은 본 실시 형태에 관한 버너부를 하류측에서 본 도면이다.
도 10에 예시하는 구성에서는 공기 구멍 플레이트(20)의 인접하는 2개의 외주 공기 구멍군(52a, 52b, 52b, 52c, 52c, 52d, 52d, 52e, 52e, 52f 및 52f, 52a) 사이의 영역 Sa 내지 Sf에 열전대[402(402a 내지 402f)] 및 냉각 구멍[602(602a 내지 602f)]이 3개씩 형성되어 있다. 즉, 본 실시 형태에서는 공기 구멍 플레이트(20)에 열전대(402) 및 냉각 구멍(602)이 18개씩 형성되어 있다. 또한, 공기 구멍 플레이트(20)의 영역 Sa 내지 Sf에 형성되는 열전대(402) 및 냉각 구멍(602)의 수는 3개로 한정되지 않는다.
냉각 구멍(602a)은 직선 La 상에 간격을 두고 나란히 형성되고, 열전대(402a)는 직선 La 상에 간격을 두고 냉각 구멍(602)에 인접하여 설치되어 있다. 즉, 본 실시 형태에서는 열전대(401a), 냉각 구멍(601a), 3개의 열전대(402a) 및 3개의 냉각 구멍(602a)이 직선 La 상에 배열되어 있다. 열전대(402b 내지 402f) 및 냉각 구멍(602b 내지 602f)에 대해서도, 열전대(402a) 및 냉각 구멍(602a)과 마찬가지이다.
도 11은 본 실시 형태에 관한 제어 장치의 주요부를 도시하는 개략도이다.
도 11에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 제어 장치(500)의 온도 비교부(501)는 열전대(401, 402)와 전기적으로 접속하고 있다. 온도 비교부(501)는 열전대(402)로 계측된 공기 구멍 플레이트(20)의 영역 Sa 내지 Sf에 있어서의 메탈 온도 Tn 중 최댓값과 상한값 Tmax를 비교하여, 메탈 온도 Tn이 상한값 Tmax보다 큰 경우에, 연산부(502)에 메탈 온도 Tn에 관한 신호(제2 메탈 신호)를 출력한다. 한편, 온도 비교부(501)는 열전대(402)로 계측된 공기 구멍 플레이트(20)의 영역 Sa 내지 Sf에 있어서의 메탈 온도 Tn 중 최솟값과 하한값 Tmin을 비교하여, 메탈 온도 Tn이 하한값 Tmin 미만인 경우에, 연산부(502)에 신호(정지 신호)를 출력한다.
연산부(502)는 온도 비교부(501)로부터 출력된 제2 메탈 신호를 입력하면, 메탈 온도 Tn에 기초하여, 기억부(503)에 저장된 메탈 온도 Tn과 냉각제 유량 조절 밸브(69)의 개방도의 관계를 나타내는 테이블로부터 냉각제 유량 조절 밸브(69)의 개방도를 취득(연산)한다. 그리고, 연산부(502)는 냉각제 유량 조절 밸브(69)에 신호 S5를 출력하여 냉각제 유량 조절 밸브(69)의 개방도를 취득한 개방도로 조정하고, 냉각 구멍(602)을 통해 연소실(5)에 냉각제를 공급한다. 한편, 연산부(502)는 온도 비교부(501)로부터 정지 신호를 입력하면, 냉각제 유량 조절 밸브(69)에 신호 S6을 출력하고 냉각제 유량 조절 밸브(69)의 개방도를 제로로 조정한다.
(효과)
도 12는 본 실시 형태에 관한 가스 터빈 플랜트에 있어서의 연료 전환 과정의 연료 유량 및 메탈 온도의 변화를 도시하는 도면이다.
본 실시 형태에서는 인접하는 2개의 외주 공기 구멍군(52) 사이의 영역 Sa 내지 Sf에 위치하도록, 적어도 하나의 냉각 구멍(602)이 공기 구멍 플레이트(20)에 형성되어 있다. 그로 인해, 도 12에 예시한 바와 같이, 냉각 구멍(601)을 흐르는 냉각제에 의해 공기 구멍 플레이트(20)를 냉각하고, 메탈 온도 Tm을 저하시킴과 함께, 공기 구멍 플레이트(20)의 영역 Sa 내지 Sf에 있어서도, 냉각 구멍(602)을 흐르는 냉각제에 의해 공기 구멍 플레이트(20)를 냉각하여, 메탈 온도 Tn을 저하시킬 수 있다. 따라서, 제1 실시 형태에 비해, 공기 구멍 플레이트(20)를 더 신속하게 냉각할 수 있다. 추가하여, 본 실시 형태에서는 냉각 계통수를 제1 실시 형태보다도 증가시키고 있으므로, 그만큼, 공기 구멍 플레이트(20)의 냉각 자유도를 높일 수 있다. 따라서, 가스 터빈의 다양한 운전 조건에 따라 공기 구멍 플레이트(20)를 냉각할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 열전대(401, 402)의 계측값(메탈 온도 Tm, Tn)과 상한값 Tmax를 비교하여, 메탈 온도 Tm이 상한값 Tmax보다 큰 경우(도 12의 시각 tc1)에 냉각 구멍(601)에 냉각제를 공급하고, 메탈 온도 Tn이 상한값 Tmax보다 큰 경우(도 12의 시각 tc2)에 냉각 구멍(602)에 냉각제를 공급하고 있다. 그로 인해, 도 12에 예시한 바와 같이, 메탈 온도 Tm, Tn을 상한값 Tmax 이하로 유지할 수 있고, 공기 구멍 플레이트(20)의 구조 강도를 더 확보하여, 연소기(3)의 신뢰성을 더 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 열전대(401, 402)의 계측값(메탈 온도 Tm, Tn)과 하한값 Tmin을 비교하여, 메탈 온도 Tm이 하한값 Tmin 미만인 경우(도 12의 시각 td1)에 냉각 구멍(601)으로의 냉각제의 공급을 정지하고, 메탈 온도 Tn이 하한값 Tmin 미만인 경우(도 12의 시각 td2)에 냉각 구멍(602)으로의 냉각제의 공급을 정지하고 있다. 그로 인해, 도 12에 예시한 바와 같이, 메탈 온도 Tm, Tn을 하한값 Tmin 이상에서 유지할 수 있고, 냉각제에 의해 연소실(5) 내의 화염 온도가 저하되어 화염이 불안정화되는 것을 더 확실하게 회피하여, 연소기(3)의 신뢰성을 더 향상시킬 수 있다.
<기타>
본 발명은 상술한 각 실시 형태로 한정되는 것은 아니고, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들어, 상술한 각 실시 형태는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해 상세하게 설명한 것이고, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 어떤 실시 형태의 구성의 일부를 다른 실시 형태의 구성으로 치환하는 것이 가능하고, 또한 어떤 실시 형태의 구성에 다른 실시 형태의 구성을 추가하는 것도 가능하다.
상술한 각 실시 형태에서는 열전대(401, 402)의 측정값에 따라 냉각제 유량 조절 밸브(68, 69)의 개방도를 조절하여, 냉각제의 유량을 제어하는 구성에 대해 설명했다. 그러나, 본 발명의 본질적 효과는 가스 터빈 연소기의 구조물의 과도한 온도 상승을 억제하여, 가스 터빈 연소기의 신뢰성을 확보하는 것이고, 이 본질적 효과를 얻는 한에 있어서는, 반드시 상술한 구성일 필요는 없다. 예를 들어, 열전대(401, 402)의 측정값이 상한값 Tmax 부근에서는 냉각제를 많이 공급하고, 하한값 Tmin 부근에서는 냉각제를 적게 공급하는 구성으로 해도 된다.
또한, 상술한 각 실시 형태에서는 제어 장치(500)의 기억부(503)가 메탈 온도 Tm과 냉각제 유량 조절 밸브(68, 69)의 개방도의 관계를 나타내는 테이블을 저장하는 구성에 대해 설명했다. 그러나, 상술한 본 발명의 본질적 효과를 얻는 한에 있어서는, 반드시 이 구성일 필요는 없다. 예를 들어, 제어 장치(500)의 연산부(502)가 상술한 테이블을 저장하는 구성으로 해도 된다.
또한, 상술한 각 실시 형태에서는 연료 노즐(22, 28)의 선단이 공기 구멍군(51, 52)에 삽입되어 있지 않은 구성을 설명했지만, 연료 노즐(22, 28)의 선단을 공기 구멍군(51, 52) 내에 삽입해도 된다. 이 경우, 공기 구멍군(51, 52)의 입구 면적이 감소하기 때문에, 공기 분류의 유속이 증가하여, 연료 노즐(22, 28)로부터 분사되는 연료와 공기의 혼합이 더 촉진된다.
1 : 가스 터빈 플랜트
2 : 압축기
3 : 가스 터빈 연소기(연소기)
4 : 터빈
5 : 연소실
20 : 공기 구멍 플레이트
22 : 파일럿 버너용 연료 노즐(연료 노즐)
28 : 메인 버너용 연료 노즐(연료 노즐)
51 : 중앙 공기 구멍군(공기 구멍군)
52 : 외주 공기 구멍군(공기 구멍군)
51A, 51B, 52A, 52B, 52C : 공기 구멍
67 : 냉각제 차단 밸브(밸브)
68, 69 : 냉각제 유량 조절 밸브(밸브)
110 : 연소 가스
205, 206 : 냉각 배관
220 : 냉각제 공급원(공급원)
401, 402 : 열전대(온도 센서)
500 : 제어 장치
501 : 온도 비교부
502 : 냉각제 유량 연산부(연산부)
601, 602 : 냉각 구멍(구멍부)

Claims (5)

  1. 연료를 분사하는 복수의 연료 노즐과, 상기 복수의 연료 노즐에 대응하여 형성된 복수의 공기 구멍을 갖고, 상기 복수의 연료 노즐의 연료의 흐름 방향의 하류측에 형성된 공기 구멍 플레이트와, 상기 복수의 공기 구멍으로부터 분사된 연료와 공기를 연소시켜 연소 가스를 생성하는 연소실을 구비한 가스 터빈 연소기에 있어서,
    상기 공기 구멍 플레이트는 복수의 상기 공기 구멍으로 이루어지는 중앙 공기 구멍군과, 복수의 상기 공기 구멍으로 이루어지고, 상기 중앙 공기 구멍군을 둘러싸도록 형성된 복수의 외주 공기 구멍군을 갖고,
    인접하는 2개의 상기 외주 공기 구멍군과 상기 중앙 공기 구멍군으로 둘러싸인 영역에 위치하도록 상기 공기 구멍 플레이트에 형성된 구멍부 및 온도 센서와,
    냉각제의 공급원과,
    상기 구멍부와 상기 공급원을 접속하는 냉각 배관과,
    상기 냉각 배관에 설치된 밸브와,
    상기 온도 센서의 계측값에 기초하여 상기 밸브를 구동하는 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구멍부는 상기 공기 구멍 플레이트의 중심으로부터 연장하고, 인접하는 2개의 상기 외주 공기 구멍군 사이를 통과하는 직선 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어 장치는,
    상기 온도 센서의 계측값과 설정값을 비교하는 온도 비교부와,
    상기 온도 센서의 계측값이 상기 설정값보다 큰 경우에, 상기 밸브에 신호를 출력하는 연산부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기.
  4. 제1항에 있어서, 인접하는 2개의 상기 외주 공기 구멍군 사이에 위치하도록, 적어도 하나의 다른 구멍부가 상기 공기 구멍 플레이트에 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기.
  5. 공기를 압축하는 압축기와,
    상기 압축기로부터 공급되는 압축 공기를 연료와 혼합하여 연소하는 제1항에 기재된 가스 터빈 연소기와,
    상기 가스 터빈 연소기로부터 공급되는 연소 가스로 구동되는 터빈을 구비한 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 플랜트.
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