WO2010038528A1

WO2010038528A1 - ガスタービンの燃料制御方法および燃料制御装置ならびにガスタービン

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Publication number: WO2010038528A1
Application number: PCT/JP2009/062048
Authority: WO
Inventors: 聡介中村; 谷村　聡; 赤松　真児; 中村　愼祐; 園田　隆; 昭彦齋藤; 真人岸
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2008-10-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2010-04-08
Also published as: EP2202396A4; JP2010084703A; KR20100074102A; EP2202396B1; JP5185757B2; EP2202396B8; US20140190176A1; CN101772628B; US20110016873A1; EP2202396A1; CN101772628A; US9631559B2; KR101126976B1; US8707671B2

Abstract

　燃料を供給する複数のメインノズルを少なくとも２つの群に分けて燃焼器が構成されたガスタービンの燃料制御方法であって、燃焼器の着火時全群のメインノズルから燃料を供給し（Ｓ１）、その後のガスタービンの昇速時にＡ群のメインノズル３本から燃料を供給する（Ｓ３）。昇速時では少数のメインノズルから燃料を噴射するのでメインノズル１本当たりの燃料流量が多く、燃焼領域の燃空比（燃料流量／空気流量）が高くなって燃焼性が向上する。結果、一酸化炭素や未燃炭化水素の発生を低減でき、かつバイパス弁が不要で製造コストを低減できる。しかも着火時では全群のメインノズルから燃料を供給して燃焼器の全域で燃焼させるので、隣接する他のメインノズル群の全てに容易に火炎を伝搬できガスタービン全体の着火性を向上できる。

Description

ガスタービンの燃料制御方法および燃料制御装置ならびにガスタービン

　本発明は、ガスタービンの燃料制御方法および燃料制御装置ならびにガスタービンに関する。

　ガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンとにより構成されている。圧縮機は、空気取入口から取り込まれた空気を圧縮させることで高温・高圧の圧縮空気とする。燃焼器は、圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させることで高温・高圧の燃焼ガスとする。タービンは、ケーシング内の通路に複数のタービン静翼およびタービン動翼が交互に配設されて構成されており、前記通路に供給された燃焼ガスによりタービン動翼が駆動されることで、例えば、発電機に連結されたロータを回転駆動する。そして、タービンを駆動した燃焼ガスは、ディフューザにより静圧に変換されてから大気に放出される。

　燃焼器は予混合燃焼方式であり、ガスタービンの周方向に配置され、燃料を供給するメインノズルが複数設けられている。なお、燃焼器には、複数の独立した燃焼器がガスタービンの周方向に配置されている構成のもの（キャニュラー式）や、環状の一体構成のもの（アニュラー式）がある。ここで、メインノズルでは、空気と燃料を予め混合させて希薄燃焼を行う。これによって燃焼温度が抑制され、燃焼に伴う窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を低減することが可能となる。しかし、このような燃焼器では、燃料が各メインノズルに分けて噴射されることから、着火昇速時を含めてガスタービンの負荷が低い条件では、メインノズル１つ当たりの燃料流量が少ないため、燃焼領域における燃空比（燃料流量／空気流量）が低くなって燃焼性が悪くなる。この結果、一酸化炭素（ＣＯ）や未燃炭化水素（ＵＨＣ）の発生が増加してしまうことになる。そこで、燃焼器には、バイパス弁が設けられており、燃焼用空気の一部をバイパスさせることで燃焼領域の燃空比が高くなるようにコントロールしている。

　また、従来では、複数のメインノズル（メインノズル群）を第１群と第２群とに分け、燃空比の低い始動時（着火昇速時）や低負荷運転時において、第２群のメインノズルへの燃料流を遮断して第１群のメインノズルにのみ燃料を供給し、メインノズル１つ当たりの燃料流量を多くすることにより、燃焼領域の燃空比を高くする燃料制御方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１－７３８０４号公報

　しかしながら、従来の燃料制御方法では、着火時において第１群のメインノズルにのみ燃料を供給した場合、該第１群のメインノズルでの着火が燃焼器の一部での局所的な燃焼であるため、隣接する他のメインノズル群（キャニュラー式燃焼器の場合は隣接する複数の他の燃焼器のメインノズル群）の全てに火炎を伝搬させることが難しく、ガスタービン全体の着火性が低下するおそれがある。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、製造コストを低減しつつ昇速時に燃焼領域の燃空比を高くした上で、着火時でのガスタービン全体の着火性を向上することのできるガスタービンの燃料制御方法および燃料制御装置ならびにガスタービンを提供することを目的とする。

　上記の目的を達成するために、本発明のガスタービンの燃料制御方法では、燃料を供給する複数のメインノズルを少なくとも２つの群に分けた形態で燃焼器が構成されたガスタービンの燃料制御方法であって、前記燃焼器の着火時は、全群の前記メインノズル（メインノズル群の全てのノズル）から燃料を供給し、その後の前記ガスタービンの昇速時には、少なくとも１つの群の前記メインノズルから燃料を供給することを特徴とする。

　このガスタービンの燃料制御方法は、ガスタービンの昇速時において、少なくとも１つの群のメインノズルから燃料を供給する。このため、昇速運転で少数のメインノズルから全燃料を噴射して燃焼ガスを生成するので、メインノズル１つ当たりの燃料流量が多くなり、燃空比（燃料流量／空気流量）が高くなって燃焼性が向上する。この結果、一酸化炭素（ＣＯ）や未燃炭化水素（ＵＨＣ）の発生を低減できる。そして、燃焼性が向上することから、従前用いられていたバイパス弁が不要となり、製造コストを低減できる。しかも、燃焼器の着火時においては、全群のメインノズルから燃料を供給して着火を行ってから、少なくとも１つの群のメインノズルで燃料を噴射させている。このため、始動時に燃焼器の全域で燃焼させることから、隣接する他のメインノズル群の全てに火炎を容易に伝搬でき、ガスタービン全体の着火性を向上できる。

　また、本発明のガスタービンの燃料制御方法では、前記ガスタービンの昇速時に燃料を供給する群のメインノズルは、複数隣接して設けられていることを特徴とする。

　このガスタービンの燃料制御方法は、ガスタービンの昇速時において、複数隣接して設けられているメインノズルから燃料を供給することで、燃焼領域の燃空比（燃料流量／空気流量）が高くなり、一酸化炭素（ＣＯ）や未燃炭化水素（ＵＨＣ）の発生をより低減できる。

　また、本発明のガスタービンの燃料制御方法では、前記ガスタービンの昇速時に燃料を供給する群のメインノズルは、全数のメインノズルのうち、半分より少ない数であることを特徴とする。

　このガスタービンの燃料制御方法は、ガスタービンの昇速時において、メインノズル全数のうち、半分より少ない数のメインノズルから燃料を供給することで、一酸化炭素（ＣＯ）や未燃炭化水素（ＵＨＣ）の発生をより低減する燃空比（燃料流量／空気流量）とすることができる。

　上記の目的を達成するために、本発明のガスタービンの燃料制御装置では、燃料を供給する複数のメインノズルを少なくとも２つの群に分けた形態で燃焼器が構成され、前記メインノズルの各群に対応して設けられて前記メインノズルへ燃料を供給すると共に該燃料の供給量を変える開放状態、または燃料を供給しない閉塞状態となる燃料供給弁と、前記燃焼器の着火状態を検出する着火検出手段とを有したガスタービンに用いられるガスタービンの燃料制御装置であって、各前記燃焼器の着火時は、全群のメインノズルの燃料供給弁を開放状態とし、前記燃焼器の着火を前記着火検出手段により検出した後、前記ガスタービンの昇速時には、少なくとも１つの群のメインノズルの燃料供給弁を開放状態としたままで他の群のメインノズルの燃料供給弁を閉塞状態とする燃料制御部を備えたことを特徴とする。

　このガスタービンの燃料制御装置は、燃料制御部を備えたことで、上記燃料制御方法を実現できる。

　上記の目的を達成するために、本発明のガスタービンでは、圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼させた燃焼ガスをタービンに供給して動力を得るガスタービンにおいて、前記燃焼器が、燃料を供給する複数のメインノズルを少なくとも２つの群に分けた形態で構成されており、前記メインノズルの各群に対応して設けられて前記メインノズルへ燃料を供給すると共に該燃料の供給量を変える開放状態、または燃料を供給しない閉塞状態となる燃料供給弁と、各前記燃焼器の着火状態を検出する着火検出手段と、各前記燃焼器の着火時は、全群のメインノズルの燃料供給弁を開放状態とし、前記燃焼器の着火を前記着火検出手段により検出した後、昇速時には、少なくとも１つの群のメインノズルの燃料供給弁を開放状態としたままで他の群のメインノズルの燃料供給弁を閉塞状態とする燃料制御装置とを備えたことを特徴とする。

　このガスタービンは、昇速時において、少なくとも１つの群のメインノズルから燃料を供給する。このため、昇速運転で少数のメインノズルから全燃料を噴射して燃焼ガスを生成するので、メインノズル１つ当たりの燃料流量が多くなり、燃焼領域の燃空比（燃料流量／空気流量）が高くなって燃焼性が向上する。この結果、一酸化炭素（ＣＯ）や未燃炭化水素（ＵＨＣ）の発生を低減できる。そして、燃焼性が向上することから、従前用いられていたバイパス弁が不要となり、製造コストを低減できる。しかも、燃焼器の着火時においては、全群のメインノズルから燃料を供給して着火を行ってから、少なくとも１つの群のメインノズルで燃料を噴射させている。このため、始動時に燃焼器の全域で燃焼させることから、隣接する他のメインノズル群の全てに火炎を容易に伝搬でき、ガスタービン全体の着火性を向上できる。

　本発明によれば、製造コストを低減しつつ昇速時に燃焼領域の燃空比を高くした上で、着火時でのガスタービン全体の着火性を向上できる。

図１は、本発明の実施例に係るガスタービンを示す概略構成図である。図２は、図１に示すガスタービンにおける燃焼器の概略構成図である。図３は、図２の断面概略図である。図４は、本発明の実施例に係るガスタービンの燃料制御装置を示すブロック図である。図５は、着火昇速時での燃料制御を説明するフローチャートである。図６は、ガスタービンの運転に伴う燃料制御方法を示す説明図である。図７は、加負荷運転での燃料制御を説明するフローチャートである。図８は、減負荷運転での燃料制御を説明するフローチャートである。

　以下に添付図面を参照して、本発明に係るガスタービンの燃料制御方法および燃料制御装置ならびにガスタービンの好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

　図１は、本発明の実施例に係るガスタービンを示す概略構成図、図２は、図１に示すガスタービンにおける燃焼器の概略構成図、図３は、図２の断面概略図である。

　ガスタービンは、図１に示すように、圧縮機１と燃焼器２とタービン３とにより構成されている。また、圧縮機１、燃焼器２およびタービン３の中心部には、ロータ４が貫通して配置されている。圧縮機１、燃焼器２およびタービン３は、ロータ４の軸心Ｒに沿い、空気の流れの前側から後側に向かって順に並設されている。なお、以下の説明において、軸方向とは軸心Ｒに平行な方向をいい、周方向とは軸心Ｒを中心とした周り方向をいう。

　圧縮機１は、空気を圧縮して圧縮空気とするものである。圧縮機１は、空気を取り込む空気取入口１１を有した圧縮機ケーシング１２内に圧縮機静翼１３および圧縮機動翼１４が設けられている。圧縮機静翼１３は、圧縮機ケーシング１２側に取り付けられて周方向に複数並設されている。また、圧縮機動翼１４は、ロータ４側に取り付けられて周方向に複数並設されている。これら圧縮機静翼１３と圧縮機動翼１４とは、軸方向に沿って交互に設けられている。

　燃焼器２は、圧縮機１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給することで、高温・高圧の燃焼ガスを生成するものである。燃焼器２は、燃焼筒として、圧縮空気と燃料を混合して燃焼させる内筒２１と、内筒２１から燃焼ガスをタービン３に導く尾筒２２と、内筒２１の外周を覆い、圧縮機１からの圧縮空気を内筒２１に導く空気通路２６（図２参照）をなす外筒２３とを有している。この燃焼器２は、燃焼器ケーシング２４に対し周方向に複数（例えば１６個）並設されている。なお、このような燃焼器の構成はキャニュラー式と呼ばれている。

　各燃焼器２には、図２および図３に示すように、燃料を供給するノズル２５１，２５２，２５３が設けられている。ノズル２５１は、内筒２１の中央に１本設けられたパイロットノズルである。パイロットノズル２５１は、燃焼器２の外側に設けられた燃料ポート２５１ａにパイロット燃料ライン２５１ｂが接続されている。パイロット燃料ライン２５１ｂには、パイロット燃料供給弁２５１ｃが設けられている。すなわち、パイロット燃料供給弁２５１ｃを開放状態とすることでパイロットノズル２５１に燃料が供給されて該パイロットノズル２５１から燃料が噴射される。また、パイロット燃料供給弁２５１ｃは、開放状態において燃料の供給量を可変できるように構成されている。一方、パイロット燃料供給弁２５１ｃを閉塞状態とすることでパイロットノズル２５１への燃料の供給が止まり該パイロットノズル２５１からの燃料の噴射が止められる。このパイロット燃料供給弁２５１ｃは、アクチュエータやモータなどのパイロット燃料供給弁駆動手段５３（図４参照）により開閉を駆動される。

　ノズル２５２は、内筒２１内でパイロットノズル２５１の周囲で周方向に複数（本実施例では８個）隣接して設けられたメインノズルである。このメインノズル２５２は、複数の群に分けて構成されている。本実施例では、図３に示すように、８本のメインノズル２５２は、３本並ぶメインノズル２５２を１つの群としたＡ群（第１群）のメインノズル２５２（Ａ）と、該Ａ群に隣接して２本並ぶメインノズル２５２を１つの群としたＢ群（第２群）のメインノズル２５２（Ｂ）と、残り３本並ぶメインノズル２５２を１つの群としたＣ群のメインノズル２５２（Ｃ）とで構成されている。これらＡ，Ｂ，Ｃ群のメインノズル２５２は、燃焼器２の外側に延設された燃料ポート２５２ａにそれぞれの群に対応したメイン燃料ライン２５２ｂが接続されている。各メイン燃料ライン２５２ｂには、メイン燃料供給弁２５２ｃがそれぞれ設けられている。すなわち、各メイン燃料供給弁２５２ｃを開放状態とすることで各群のメインノズル２５２にそれぞれ燃料が供給されて各群のメインノズル２５２から燃料が噴射される。また、各メイン燃料供給弁２５２ｃは、開放状態において燃料の供給量を可変できるように構成されている。一方、各メイン燃料供給弁２５２ｃを閉塞状態とすることで各群のメインノズル２５２への燃料の供給が止まり各群のメインノズル２５２からの燃料の噴射がそれぞれ止められる。この各群のメイン燃料供給弁２５２ｃは、それぞれアクチュエータやモータなどのＡ群メイン燃料供給弁駆動手段５４、Ｂ群メイン燃料供給弁駆動手段５５、Ｃ群メイン燃料供給弁駆動手段５６（図４参照）により開閉を駆動される。また、メインノズル２５２の外側には、旋回翼２５２ｄが設けられており、その周囲がバーナー筒２５２ｅで覆われている。

　ノズル２５３は、外筒２３の内周面に沿って、メインノズル２５２のさらに周囲で周方向に複数（本実施例では１６本）隣接して設けられたトップハットノズルである。トップハットノズル２５３は、燃焼器２の外側に設けられた燃料ポート２５３ａにトップハット燃料ライン２５３ｂが接続されている。トップハット燃料ライン２５３ｂには、トップハット燃料供給弁２５３ｃが設けられている。すなわち、トップハット燃料供給弁２５３ｃを開放状態とすることでトップハットノズル２５３に燃料が供給されて該トップハットノズル２５３から燃料が噴射される。また、トップハット燃料供給弁２５３ｃは、開放状態において燃料の供給量を可変できるように構成されている。一方、トップハット燃料供給弁２５３ｃを閉塞状態とすることでトップハットノズル２５３への燃料の供給が止まり該トップハットノズル２５３からの燃料の噴射が止められる。このトップハット燃料供給弁２５３ｃは、アクチュエータやモータなどのトップハット燃料供給弁駆動手段５７（図４参照）により開閉を駆動される。

　この燃焼器２では、図２に示すように、高温・高圧の圧縮空気の空気流が空気通路２６に流れ込み、この圧縮空気がトップハットノズル２５３から噴射された燃料と混合された燃料混合気となり、内筒２１内に流れ込む。内筒２１内では、この燃料混合気がメインノズル２５２から噴射された燃料と混合され、旋回翼２５２ｄおよびバーナー筒２５２ｅにて予混合気の旋回流となって尾筒２２内に流れ込む。また、燃料混合気は、パイロットノズル２５１から噴射された燃料と混合され、図示しない種火により着火されて燃焼し、燃焼ガスとなって尾筒２２内に噴出する。このとき、燃焼ガスの一部が尾筒２２内に火炎を伴って周囲に拡散するように噴出することで、各メインノズル２５２のバーナー筒２５２ｅからの予混合気に着火されて燃焼する。すなわち、パイロットノズル２５１から噴射した燃料による拡散火炎により、各メインノズル２５２のバーナー筒２５２ｅからの予混合気の燃焼を安定させるための保炎を行う。

　タービン３は、燃焼器２で燃焼された燃焼ガスにより回転動力を生じるものである。タービン３は、タービンケーシング３１内にタービン静翼３２およびタービン動翼３３が設けられている。タービン静翼３２は、タービンケーシング３１側に取り付けられて周方向に複数並設されている。また、タービン動翼３３は、ロータ４側に取り付けられて周方向に複数並設されている。これらタービン静翼３２とタービン動翼３３とは、軸方向に沿って交互に設けられている。また、タービンケーシング３１の後側には、タービン３に連続する排気ディフューザ３４ａを有した排気室３４が設けられている。

　ロータ４は、圧縮機１側の端部が軸受部４１により支持され、排気室３４側の端部が軸受部４２により支持されて、軸心Ｒを中心として回転自在に設けられている。そして、ロータ４の排気室３４側の端部には、発電機（図示せず）の駆動軸が連結されている。

　このようなガスタービンは、圧縮機１の空気取入口１１から取り込まれた空気が、複数の圧縮機静翼１３と圧縮機動翼１４とを通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となる。この圧縮空気に対し、燃焼器２のノズル２５１，２５２，２５３により燃料が供給されることで高温・高圧の燃焼ガスが生成される。そして、この燃焼ガスがタービン３のタービン静翼３２とタービン動翼３３とを通過することでロータ４が回転駆動され、このロータ４に連結された発電機に回転動力を付与することで発電を行う。そして、ロータ４を回転駆動した後の排気ガスは、排気室３４の排気ディフューザ３４ａで静圧に変換されてから大気に放出される。

　図４は、本発明の実施例に係るガスタービンの燃料制御装置を示すブロック図である。図４に示すように、燃料制御装置は、マイコンなどで構成される制御装置５０を備えている。制御装置５０には、燃料制御部５１が設けられている。また、制御装置５０には、燃料制御部５１に接続された記憶部５２が設けられている。この制御装置５０には、ガスタービンの負荷やロータ４の回転速度などガスタービンの運転状態が入力される。燃料制御部５１には、パイロット燃料供給弁駆動手段５３、Ａ群メイン燃料供給弁駆動手段５４、Ｂ群メイン燃料供給弁駆動手段５５、Ｃ群メイン燃料供給弁駆動手段５６、およびトップハット燃料供給弁駆動手段５７が接続されている。また、燃料制御部５１には、燃焼器２の着火状態を検出する着火検出手段５８が接続されている。燃料制御部５１は、記憶部５２に予め格納したプログラムやデータに従って、さらに、着火検出手段５８により検出された着火状態に応じて、各ノズル２５１，２５２，２５３に燃料を供給するため、パイロット燃料供給弁駆動手段５３、Ａ群メイン燃料供給弁駆動手段５４、Ｂ群メイン燃料供給弁駆動手段５５、Ｃ群メイン燃料供給弁駆動手段５６、およびトップハット燃料供給弁駆動手段５７を制御する。

　なお、着火検出手段５８は、例えば、火炎から出る紫外線を検出するものである。また、図には明示しないが、周方向に並ぶ燃焼器２は、その相互間が連結管により連結されている。そして、着火検出手段５８は、周方向に複数並ぶ燃焼器２の対向位置にそれぞれ配置され、それぞれにより連結管を介して全ての燃焼器２に火炎が伝搬したことを検出する。

　上記燃料制御装置による燃料制御について説明する。先ず、ガスタービンの着火昇速時での燃料制御を説明する。図５は、着火昇速時での燃料制御を説明するフローチャート、図６は、ガスタービンの運転に伴う燃料制御方法を示す説明図である。

　ガスタービンを始動する前の停止状態において、燃料制御部５１は、パイロット燃料供給弁駆動手段５３によりパイロット燃料供給弁２５１ｃを閉塞状態とし、Ａ群メイン燃料供給弁駆動手段５４、Ｂ群メイン燃料供給弁駆動手段５５、およびＣ群メイン燃料供給弁駆動手段５６により各群のメイン燃料供給弁２５２ｃを閉塞状態とし、トップハット燃料供給弁駆動手段５７によりトップハット燃料供給弁２５３ｃを閉塞状態としている。

　図５および図６に示すように、停止状態から燃焼器２を着火させてガスタービンを始動する際、燃料制御部５１は、パイロット燃料供給弁駆動手段５３によりパイロット燃料供給弁２５１ｃを開放状態とし、パイロットノズル２５１から噴射した燃料により火炎を発生させる。かつ、燃料制御部５１は、各群メイン燃料供給弁駆動手段５４，５５，５６により各群のメイン燃料供給弁２５２ｃを開放状態とし、全群のメインノズル２５２の８本から燃料を噴射させて燃焼ガスを生成させる（ステップＳ１）。次に、着火検出手段５８により全燃焼器２での着火状態が検出されると（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、燃料制御部５１は、Ｂ群およびＣ群メイン燃料供給弁駆動手段５５，５６により、それぞれのメイン燃料供給弁２５２ｃを閉塞状態とする。すなわち、Ａ群のメインノズル２５２の３本のみから燃料を噴射させたままで燃焼ガスを生成させる（ステップＳ３）。そして、昇速運転の範囲として、ガスタービンのロータ４の回転速度が所定速度（例えば３６００ｒｐｍ）に至るまで、メイン燃料供給弁２５２ｃによりＡ群のメインノズル２５２への燃料の供給量を漸次増加させる。次に、ロータ４の回転速度が所定速度（例えば３６００ｒｐｍ）に至った場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、下記の加負荷運転に移行し（ステップＳ５）、ガスタービンの着火昇速時での燃料制御を終了する。

　続いて、ガスタービンの加負荷運転での燃料制御を説明する。図７は、加負荷運転での燃料制御を説明するフローチャートである。

　図６および図７に示すように、加負荷運転において、燃料制御部５１は、上記昇速時でＡ群のメインノズル２５２の３本から燃料を噴射させた状態から、ガスタービンのロータ４の回転速度が所定速度（例えば３６００ｒｐｍ）に到達後、Ｂ群メイン燃料供給弁駆動手段５５により、Ｂ群のメイン燃料供給弁２５２ｃを開放状態とする。すなわち、Ａ群のメインノズル２５２に加え、該Ａ群に隣接するＢ群のメインノズル２５２から燃料を噴射させ、これらＡ群およびＢ群のメインノズル２５２の５本からの燃料により燃焼ガスを生成させる（ステップＳ１１）。次に、各メイン燃料供給弁２５２ｃによりＡ群およびＢ群のメインノズル２５２への燃料の供給量を漸次増加させ、ガスタービンが所定の第１負荷（例えば８％～１０％負荷）に至った場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、燃料制御部５１は、Ｃ群メイン燃料供給弁駆動手段５６により、Ｃ群のメイン燃料供給弁２５２ｃを開放状態とする。すなわち、全群のメインノズル２５２から燃料を噴射させ、この全群のメインノズル２５２の８本からの燃料により燃焼ガスを生成させる（ステップＳ１３）。次に、各メイン燃料供給弁２５２ｃにより全群のメインノズル２５２への燃料の供給量を漸次増加させ、ガスタービンが所定の第２負荷（例えば１５％負荷）に至った場合（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、燃料制御部５１は、トップハット燃料供給弁駆動手段５７によりトップハット燃料供給弁２５３ｃを開放状態とする。すなわち、圧縮空気にトップハットノズル２５３から噴射した燃料を混合させて燃料混合気を生成し、この燃料混合気を内筒２１内に流し込む（ステップＳ１５）。そして、ガスタービンが１００％負荷に至るまでステップＳ１５の状態を維持し（ステップＳ１６）、ガスタービンの加負荷運転での燃料制御を終了する。

　続いて、ガスタービンの減負荷運転での燃料制御を説明する。図８は、減負荷運転での燃料制御を説明するフローチャートである。

　図６および図８に示すように、減負荷運転において、燃料制御部５１は、各メイン燃料供給弁２５２ｃにより全群のメインノズル２５２への燃料の供給量を漸次減少させ、ガスタービンの１００％負荷から所定の第３負荷（例えば１２％負荷）に至るまで、上記ステップＳ１５の状態を維持する。すなわち、全群のメインノズル２５２から噴射した燃料により燃焼ガスを生成させ、かつトップハットノズル２５３から噴射した燃料を圧縮空気に混合させて燃料混合気を生成し、この燃料混合気を内筒２１内に流し込む（ステップＳ２１）。そして、ガスタービンが所定の第３負荷（例えば１２％負荷）に至った場合（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）、燃料制御部５１は、トップハット燃料供給弁駆動手段５７によりトップハット燃料供給弁２５３ｃを閉塞状態とする。すなわち、トップハットノズル２５３からの燃料の噴射を止める（ステップＳ２３）。次に、各メイン燃料供給弁２５２ｃにより全群のメインノズル２５２への燃料の供給量を漸次減少させ、ガスタービンが所定の第４負荷（例えば８％負荷）に至った場合（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）、Ｃ群メイン燃料供給弁駆動手段５６により、Ｃ群のメイン燃料供給弁２５２ｃを閉塞状態とする。すなわち、Ｃ群のメインノズル２５２からの燃料の噴射を止め、Ａ群およびＢ群のメインノズル２５２からの燃料により燃焼ガスを生成させる（ステップＳ２５）。その後、ガスタービンを停止する際、燃料制御部５１は、メイン燃料供給弁２５２ｃによりＡ群およびＢ群のメインノズル２５２への燃料の供給量を漸次減少させ、ガスタービンのロータ４が昇速運転（無負荷運転）の回転速度（例えば３６００ｒｐｍ）に至った場合（ステップＳ２６：Ｙｅｓ）、Ａ群およびＢ群メイン燃料供給弁駆動手段５４，５５により、Ａ群およびＢ群のメイン燃料供給弁２５２ｃを閉塞状態とする。すなわち、全群のメインノズル２５２からの燃料の噴射を止める。さらに、燃料制御部５１は、パイロット燃料供給弁駆動手段５３によりパイロット燃料供給弁２５１ｃを閉塞状態として燃料遮断し（ステップＳ２７）、ガスタービンの減負荷運転での燃料制御を終了する。

　このように、上述したガスタービンの燃料制御方法および燃料制御装置ならびにガスタービンでは、ガスタービンの昇速時において、Ａ群のメインノズル２５２において隣接して設けられた３本から燃料を供給する。このため、昇速運転（無負荷運転）で３本のメインノズル２５２から全燃料を噴射して燃焼ガスを生成するので、メインノズル１本当たりの燃料流量が多くなり、燃焼領域の燃空比（燃料流量／空気流量）が高くなって燃焼性が向上する。この結果、一酸化炭素（ＣＯ）や未燃炭化水素（ＵＨＣ）の発生を低減できる。そして、燃焼性が向上することから、従前用いられていたバイパス弁が不要となり、製造コストを低減できる。

　しかも、燃焼器の着火時においては、全群のメインノズル２５２の８本から燃料を供給した後、Ａ群の３本のメインノズル２５２で燃料を噴射させている。このため、始動時に燃焼器２の全域で燃焼させ、この燃焼器から複数配置された全ての燃焼器に火炎を容易に伝搬でき、ガスタービン全体（全ての燃焼器）での着火性を向上できる。

　なお、ガスタービンの昇速時においては、燃焼器２の全本数のメインノズル２５２より少ない本数から燃料を供給することが、一酸化炭素（ＣＯ）や未燃炭化水素（ＵＨＣ）の発生を低減する上で好ましい。特に、燃焼器２の全本数のメインノズル２５２のうち、半分より少ない本数から燃料を供給することが、一酸化炭素（ＣＯ）や未燃炭化水素（ＵＨＣ）の発生をより低減する燃空比を得る上で好ましい。具体的には、上述したように、ガスタービンの昇速時において、全８本のメインノズル２５２のうち、３本のメインノズル２５２から燃料を供給することがより好ましい。すなわち、全メインノズル２５２の３７％前後（３７％±７％）のメインノズル２５２により燃料を供給することが好ましい。なお、全メインノズル２５２の３７％±７％とは、例えば全１０本のメインノズルで昇速時に３本のメインノズル２５２から燃料を供給する場合や、例えば全９本のメインノズルで昇速時に４本のメインノズル２５２から燃料を供給する場合を想定したものである。

　また、ガスタービンの昇速時においては、上述したように、燃焼器２の複数本のメインノズル２５２を３つの群に分ける構成に限らず、燃焼器２の複数本のメインノズル２５２を、２つの群に分けて構成してもよい。例えば、全８本のメインノズル２５２を３本と５本との２群に分けてもよい。すなわち、ガスタービンの始動時に、全８本のメインノズルから燃料を供給して着火を行い、その後のガスタービンの昇速運転で１つの群の３本のメインノズルから燃料を供給すればよい。すなわち、ガスタービンの着火昇速時においては、燃料を供給する複数のメインノズルを少なくとも２つの群に分けて構成し、ガスタービンの始動時に、全群のメインノズルから燃料を供給して着火を行い、その後のガスタービンの昇速運転で少なくとも１つの群のメインノズルから燃料を供給すればよい。

　また、上述したガスタービンの燃料制御方法および燃料制御装置ならびにガスタービンでは、ガスタービンの加負荷運転において、ガスタービンの第１負荷（例えば８％～１０％負荷）までは、Ａ群およびＢ群のメインノズル２５２の５本から燃料を供給する。このため、加負荷運転で５本のメインノズル２５２から全燃料を噴射して燃焼ガスを生成するので、メインノズル１本当たりの燃料流量が多くなり、燃焼領域の燃空比（燃料流量／空気流量）が高くなって燃焼性が向上する。この結果、一酸化炭素（ＣＯ）や未燃炭化水素（ＵＨＣ）の発生を低減できる。そして、燃焼性が向上することから、従前用いられていたバイパス弁が不要となり、製造コストを低減できる。

　ところで、昇速運転から負荷運転にするとき、３本のメインノズル２５２から５本のメインノズル２５２の燃料噴射にする燃料制御を行う場合、上述したように、燃焼器２の８本のメインノズル２５２を、３本と５本との２つの群に分け、一方の群の３本のメインノズルの燃料噴射を止め、他方の群の５本のメインノズルの燃料噴射に切り換えることが考えられる。しかし、この燃料制御では、一方の群のメインノズルからの燃料を遮断し、新たに他方の群のメインノズルから燃料を供給しなければならない。すなわち、燃焼筒内では、高温であった一方の群のメインノズルの領域の燃焼を止め、低温であった他方の群のメインノズルの領域で燃焼させることになる。このため、高温であった領域が低温になり、低温であった領域が高温になるので、燃焼筒内の領域間に生じる熱応力の差が大きくなり、尾筒の耐久性が低下してしまう。また、この燃料制御のように、一方の群の３本のメインノズルの燃料噴射を、他方の群の５本のメインノズルの燃料噴射に切り換えると、一時的に８本のメインノズルで燃焼させることになる。このため、全体的にノズル１本当たりの燃料流量が低下することから燃焼性が悪くなり、この結果、一酸化炭素（ＣＯ）や未燃炭化水素（ＵＨＣ）の発生が増加するだけでなく、燃焼不安定により一時的にガスタービンの運転に変動が生じるおそれがある。

　この点、本実施例のガスタービンの燃料制御方法および燃料制御装置ならびにガスタービンによれば、昇速運転から加負荷運転に変える場合、Ａ群（第１群）３本のメインノズル２５２に隣接するＢ群（第２群）２本のメインノズル２５２から燃料を供給し、Ａ群３本にＢ群２本のメインノズル２５２を加えて計５本のメインノズル２５２の燃料により燃焼させている。このため、燃焼筒内の領域間に生じる熱応力の差が小さくなり、尾筒２２の耐久性を向上できる。また、ガスタービンを変動無く運転できる。さらに、本実施例のガスタービンの燃料制御方法および燃料制御装置によれば、燃焼中のＡ群３本のメインノズル２５２の領域に加えて、隣接するＢ群２本のメインノズル２５２の領域を燃焼させていることから、Ａ群のメインノズル２５２の領域の火炎をＢ群のメインノズル２５２に伝搬させることで燃焼器２の燃焼性を向上できる。

　また、ガスタービンの第１負荷からは、全てのメインノズル２５２から全燃料を噴射して燃焼ガスを生成するので、一酸化炭素（ＣＯ）や未燃炭化水素（ＵＨＣ）の発生を低減しつつ、ガスタービンの負荷に応じた燃料流量を供給できる。

　また、ガスタービンの第２負荷からは、トップハットノズル２５３から燃料を供給するので、圧縮空気の空気流に対してトップハットノズル２５３から燃料を噴射して燃料混合気を形成し、この燃料混合気に対してメインノズル２５２から燃料を噴射して予混合気を形成することで、均一な燃料混合気を形成して低ＮＯｘ化を図ることができる。

　また、ガスタービンの昇速後からガスタービンのロータ４の回転速度が所定速度に到達するまでは、メインノズル２５２全数のうち、半分より少ない数のメインノズル２５２から燃料を供給することで、一酸化炭素（ＣＯ）や未燃炭化水素（ＵＨＣ）の発生をより低減する燃空比（燃料流量／空気流量）とすることができる。

　また、ガスタービンの第１負荷までは、メインノズル２５２全数のうち、半分より多く、全数よりも少ない数のメインノズル２５２から燃料を供給することで、ガスタービンの負荷に応じ、一酸化炭素（ＣＯ）や未燃炭化水素（ＵＨＣ）の発生をより低減する燃空比（燃料流量／空気流量）とすることができる。

　なお、Ｂ群のメインノズル２５２は、Ａ群に隣接する両側１本ずつのメインノズル２５２を１つの群として構成されていてもよく、燃焼筒内の領域間に生じる熱応力の差を小さくし、かつ燃焼器２の燃焼性を向上できる。また、Ｂ群のメインノズル２５２は、Ａ群に隣接して２本並ぶメインノズル２５２を１つの群として構成されている。このように構成することで、メインノズル２５２のメイン燃料ライン２５２ｂをまとめて配置することができ、メイン燃料ライン２５２ｂの設置スペースを小さくして、燃焼器２の小型化が図れる。

　以上のように、本発明に係るガスタービンの燃料制御方法および燃料制御装置ならびにガスタービンは、製造コストを低減しつつ昇速時に燃焼領域の燃空比を高くした上で、着火時での燃焼器の着火性を向上することに適している。

　１　圧縮機
　２　燃焼器
　２１　内筒
　２２　尾筒
　２３　外筒
　２４　燃焼器ケーシング
　２５１　パイロットノズル
　２５１ａ　燃料ポート
　２５１ｂ　パイロット燃料ライン
　２５１ｃ　パイロット燃料供給弁
　２５２　メインノズル
　２５２ａ　燃料ポート
　２５２ｂ　メイン燃料ライン
　２５２ｃ　メイン燃料供給弁
　２５２ｄ　旋回翼
　２５２ｅ　バーナー筒
　２５３　トップハットノズル
　２５３ａ　燃料ポート
　２５３ｂ　トップハット燃料ライン
　２５３ｃ　トップハット燃料供給弁
　２６　空気通路
　３　タービン
　４　ロータ
　Ｒ　軸心
　５０　制御装置
　５１　燃料制御部
　５２　記憶部
　５３　パイロット燃料供給弁駆動手段
　５４　Ａ群メイン燃料供給弁駆動手段
　５５　Ｂ群メイン燃料供給弁駆動手段
　５６　Ｃ群メイン燃料供給弁駆動手段
　５７　トップハット燃料供給弁駆動手段
　５８　着火検出手段

Claims

　燃料を供給する複数のメインノズルを少なくとも２つの群に分けた形態で燃焼器が構成されたガスタービンの燃料制御方法であって、
　前記燃焼器の着火時は、全群の前記メインノズルから燃料を供給し、その後の前記ガスタービンの昇速時には、少なくとも１つの群の前記メインノズルから燃料を供給することを特徴とするガスタービンの燃料制御方法。
　前記ガスタービンの昇速時に燃料を供給する群のメインノズルは、複数隣接して設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの燃料制御方法。
　前記ガスタービンの昇速時に燃料を供給する群のメインノズルは、全数のメインノズルのうち、半分より少ない数であることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービンの燃料制御方法。
　燃料を供給する複数のメインノズルを少なくとも２つの群に分けた形態で燃焼器が構成され、前記メインノズルの各群に対応して設けられて前記メインノズルへ燃料を供給すると共に該燃料の供給量を変える開放状態、または燃料を供給しない閉塞状態となる燃料供給弁と、前記燃焼器の着火状態を検出する着火検出手段とを有したガスタービンに用いられるガスタービンの燃料制御装置であって、
　各前記燃焼器の着火時は、全群のメインノズルの燃料供給弁を開放状態とし、前記燃焼器の着火を前記着火検出手段により検出した後、前記ガスタービンの昇速時には、少なくとも１つの群のメインノズルの燃料供給弁を開放状態としたままで他の群のメインノズルの燃料供給弁を閉塞状態とする燃料制御部を備えたことを特徴とするガスタービンの燃料制御装置。
　圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼させた燃焼ガスをタービンに供給して動力を得るガスタービンにおいて、
　前記燃焼器が、燃料を供給する複数のメインノズルを少なくとも２つの群に分けた形態で構成されており、
　前記メインノズルの各群に対応して設けられて前記メインノズルへ燃料を供給すると共に該燃料の供給量を変える開放状態、または燃料を供給しない閉塞状態となる燃料供給弁と、
　各前記燃焼器の着火状態を検出する着火検出手段と、
　各前記燃焼器の着火時は、全群のメインノズルの燃料供給弁を開放状態とし、前記燃焼器の着火を前記着火検出手段により検出した後、昇速時には、少なくとも１つの群のメインノズルの燃料供給弁を開放状態としたままで他の群のメインノズルの燃料供給弁を閉塞状態とする燃料制御装置と
　を備えたことを特徴とするガスタービン。