希薄予混合型燃焼装置とその制御方法
【課題】負荷が急激に変動した過渡状態でも予混合バーナの空燃比を一定に保持して安定した希薄予混合燃焼を維持しながらも、負荷変動に対し良好な追従性を有する希薄予混合型燃焼装置とこれを制御する方法を提供する。
【解決手段】予混合バーナ２１，３５と、拡散燃焼型の追焚きバーナ４７と、予混合バーナ２１，３５を通る予混合バーナ空気流量を求める空気流量取得手段４９と、求められた予混合バーナ空気流量に基づいて一定の空燃比となるように予混合バーナ２１，３５への第１燃料供給量を設定し、負荷に対応した総燃料供給量から第１燃料供給量を差し引いて追焚きバーナ４７への第２燃料供給量を設定する燃料流量設定部５０と、設定された第１および第２燃料供給量となるように予混合バーナ２１，３５と追焚きバーナ４７のそれぞれに燃料Ｆを供給する燃料供給弁部５１とを備える。
【解決手段】予混合バーナ２１，３５と、拡散燃焼型の追焚きバーナ４７と、予混合バーナ２１，３５を通る予混合バーナ空気流量を求める空気流量取得手段４９と、求められた予混合バーナ空気流量に基づいて一定の空燃比となるように予混合バーナ２１，３５への第１燃料供給量を設定し、負荷に対応した総燃料供給量から第１燃料供給量を差し引いて追焚きバーナ４７への第２燃料供給量を設定する燃料流量設定部５０と、設定された第１および第２燃料供給量となるように予混合バーナ２１，３５と追焚きバーナ４７のそれぞれに燃料Ｆを供給する燃料供給弁部５１とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷が急激に変動した場合にも希薄予混合燃焼を安定に維持できるとともに、燃料供給量の負荷変動に対する追従性の向上を図った希薄予混合型燃焼装置とその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンにおいては、排ガス組成に関して厳しい環境基準が設けられており、特に、窒素酸化物（以下、ＮＯX という。）の排出量の低減が望まれている。低ＮＯX 化の手段として、燃焼室内に水や蒸気を噴射して燃焼火炎温度を低下させる方法が以前により採用されていたが、この方法では、エンジン熱効率の低下や悪い水質によるタービンの腐食に伴う寿命低下などの種々の欠点があった。近年では、水や蒸気を用いないドライ式でＮＯX を低減する手段として、希薄予混合燃焼方式が有効であることがよく知られている。この希薄予混合燃焼方式は、空気と燃料を予め混合して燃料濃度を均一化した混合気として燃焼させるため、局所的に火炎温度が高温となる燃焼領域が存在せず、かつ燃料の希薄化により全体的にも火炎温度を低くできることから、ＮＯX 発生量を効果的に低減することができる。
【０００３】
ところが、この希薄予混合燃焼方式では、ＮＯX の発生量が少なく、かつ失火の発生無しに高い燃焼効率で安定に燃焼させることができる空燃比の範囲が極めて狭い。したがって、空燃比が高過ぎると不完全燃焼が生じて燃焼安定性が著しく低下し、逆に空燃比が低くなり過ぎると燃料過濃になって生成されるＮＯX が指数関数的に増加する。そのため、ガスタービンの広い負荷範囲において低ＮＯX で、かつ高い燃焼効率を維持するためには、ガスタービンの作動条件にかかわらず空気と燃料の混合比（空燃比）を一定範囲内に維持するように正確に制御する必要がある。
【０００４】
この空燃比を一定範囲内に維持するために、負荷が増大するのに対応して複数のメイン予混合バーナをオン・オフ制御することによりメイン予混合バーナの作動数を増加させるとともに、追焚きバーナへの燃料供給量を負荷の変化に応じて連続的に制御することにより、負荷に応じた出力制御を行うようにしたガスタービンの燃焼器が知られている（特許文献１参照）。また、燃焼器の空燃比制御を、燃料流量指令に基づき所定の空燃比になる空気流量のフィードフォワード信号を求め、このフィードフォワード信号により空気流量調節機構を制御する方法も開示されている（特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２１０６４１号公報
【特許文献２】特開平７−２６９３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の燃焼器では、負荷が増大するのに対応して複数のメイン予混合バーナのうちの作動数を順次増加させる際に、同一作動数において負荷が増大していくと、空気量が一定であるのに対し燃料供給量が増加するので、燃料が濃くなってＮＯX 発生量が増大していき、燃焼中のメイン予混合バーナの理論空燃比に近づいてＮＯX 発生量が大幅に増えた時点でメイン予混合バーナの作動数を増加させ、これにより燃料濃度を薄くしてＮＯX 発生量を急激に低下させる動作を繰り返すので、負荷が急激に増加または減少した場合にＮＯX 排出量の増加減が大きくなるという課題がある。
【０００７】
また、特許文献３の空燃比制御手段では、燃料流量指令に基づき求めた所定の空燃比となる空気流量のフィードフォワード信号により空気流量調節機構の制御を行うと、空気流量制御系と燃料流量制御系の各々の応答速度が相違することから、負荷が急激に変動した過渡状態において空燃比を一定に保つのが困難となる。すなわち、一般に、空気流量制御系の応答は燃料流量制御系に比べて遅いので、図６（ａ）に示すようにガスタービンの負荷が急激に減少した場合には、同図（ｂ）に示す予混合バーナへの燃料供給量が同図（ｃ）に示す予混合バーナへの空気供給量よりも先に減少するので、同図（ｄ）に示すように空燃比が大きくなって失火が発生し、安定燃焼を維持することができなくなる。
【０００８】
このような失火の発生を防止するために、予め空燃比を小さく設定して空気流量を少なくするように図ると、燃焼火炎温度が高くなってＮＯX 発生量が増加することになるので、空燃比をあまり小さく設定することができない。一方、空気流量制御系と燃料流量制御系の各々の応答速度の相違に起因する空燃比の変化を無くするために、燃料流量制御系を応答速度の遅い空気流量制御系に合わせて制御することが考えられるが、そのようにした場合には、ガスタービンの負荷追従性が悪くなるという別の課題が生じる。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題に鑑みてなされたもので、負荷が急激に変動した過渡状態でも予混合バーナの空燃比を一定に保持して安定な希薄予混合燃焼を維持しながらも、負荷の変動に対し良好な追従性を有する希薄予混合型燃焼装置とこれを制御する方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る希薄予混合型燃焼装置は、圧縮機から供給される圧縮空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスをタービンに供給する燃焼装置であって、少なくとも一つの予混合バーナと、少なくとも一つの拡散燃焼型の追焚きバーナと、前記圧縮空気のうち前記予混合バーナを通る予混合バーナ空気流量を求める空気流量取得手段と、求められた前記予混合バーナ空気流量に基づいて一定の空燃比となるように前記予混合バーナへの第１燃料供給量を設定し、負荷に対応した総燃料供給量から前記第１燃料供給量を差し引いて前記追焚きバーナへの第２燃料供給量を設定する燃料流量設定部と、設定された前記第１および第２燃料供給量となるように前記予混合バーナと前記追焚きバーナのそれぞれに燃料を供給する燃料供給弁部と、を備えている。
【００１１】
この構成によれば、圧縮機から供給される圧縮空気のうちの予混合バーナを通る予混合バーナ空気流量に基づいて一定の空燃比になるように予混合バーナへの第１燃料供給流量を設定しているので、燃料供給制御系による予混合バーナへの燃料供給量は、空気流量制御系による予混合バーナ空気流量に対応するように制御されるから、負荷が急激に変動した場合であっても、予混合バーナへの空燃比が常に一定に維持されるので、失火や不完全燃焼などが生じるおそれのない安定燃焼を保持でき、ＮＯX の発生を抑制できる。しかも、空燃比は、予混合バーナ空気流量に基づいて設定することから、希薄燃焼を達成するために可及的に大きく設定することが可能となり、これにより、ＮＯX の発生を効果的に抑制することができる。また、負荷の急激な変動に対応して設定する総燃料供給量から第１燃料供給量を差し引いた第２燃料供給量を拡散燃焼型の追焚きバーナに供給するので、総燃料供給量のうちの急激な負荷変動に伴う増加分または減少分が時間遅れなく追焚きバーナに供給されるから、負荷の急激な変動に対する追従性が向上する。ここで、拡散燃焼型の追焚きバーナは、安定燃焼のための空燃比の範囲が広いので、燃料供給量が急激に増減しても失火や不完全燃焼のおそれが少ない。また、追焚きバーナは予混合バーナによる高温燃焼ガス中で燃焼を行うので、ＮＯX 排出量を増加させない。
【００１２】
本発明において、前記空気流量取得手段は、前記圧縮機の圧力比と空気流量の関係を示すコンプレッサマップを使用して前記予混合バーナ空気流量を求めることが好ましい。この構成によれば、負荷の急激な変動時にも予混合バーナ空気流量を容易、かつ正確に求めることができる。
【００１３】
また、前記コンプレッサマップを使用するに際して、前記空気流量取得手段は、前記コンプレッサマップから前記圧縮機の可変静翼角度に基づき圧縮機空気量を求め、この圧縮機空気量と前記圧縮空気の一部を外部に放出する抽気弁の開度とに基づき前記予混合バーナ空気流量を求めることが好ましい。この構成によれば、予混合バーナへの第１燃料供給流量を、予混合バーナ空気流量に基づいて一定の空燃比になるように設定することから、、予混合バーナの空気流量は負荷変動に追従して制御する必要がないので、空気量調節機構として安価で応答速度の遅い可変静翼および抽気弁を採用しても、予混合バーナの空燃比を負荷の変動によらず常に一定に保つことができる。ここでいう圧縮機空気量とは、圧縮機から送給される圧縮空気の総量であって、燃焼器に送られる分と抽出して外部に排出される余剰分とを含んでいる。
【００１４】
本発明に係る希薄予混合型燃焼装置の制御方法によっても上述した希薄予混合型燃焼装置と同様の効果が得られる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の希薄予混合型燃焼装置とその制御方法によれば、燃料供給制御系による予混合バーナへの燃料供給量を、応答性の遅い空気流量制御系による予混合バーナ空気流量に対応して制御するようにしたので、負荷が急激に変動した場合であっても、予混合バーナへの空燃比を常に一定に維持して失火や不完全燃焼などが生じるおそれのない安定燃焼を保持でき、ＮＯX の発生を抑制できる。また、総燃料供給量から第１燃料供給量を差し引いた第２燃料供給量を拡散燃焼型の追焚きバーナに供給するようにしたので、負荷の急激な変動に対する燃料供給量の追従性が向上する。しかも、追焚きバーナは拡散燃焼型であるから、安定燃焼のための空燃比の範囲が広いので、燃料供給量を急激に増減させても失火や不完全燃焼のおそれが少ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の一実施形態の希薄予混合型燃焼装置が適用されるガスタービン発電装置を示した概略構成図である。ガスタービンＧＴは圧縮機１、燃焼器２およびタービン３を主構成要素として有し、圧縮機１から供給される圧縮空気Ａを燃焼器２で燃焼させ、それにより発生する高温高圧の燃焼ガスＧをタービン３に供給する。圧縮機１は回転軸５を介してタービン３により駆動される。圧縮機１には、その上段の静翼の角度を変更して圧縮機空気量を調節する角度調節機構６が取り付けられている。また、圧縮機１と燃焼器２を接続する圧縮空気通路には、一部の圧縮空気Ａを外部に放出するための抽気弁３０が設けられている。前記タービン３はまた、減速機４を介して発電機７を駆動する。燃焼器２には、燃料供給装置９から送給される天然ガスのようなガス燃料または液体燃料が、燃料制御装置８を介して供給される。前記燃焼器２および燃料制御装置８が本発明の希薄予混合型燃焼装置の一部を構成する。
【００１７】
図２は前記燃焼器２を示す縦断面図である。同図において、この燃焼器２は、円筒状のハウジングＨ内に、ほぼ円筒状の燃焼筒１０が同心状の配置で収納されており、この燃焼筒１０内に燃焼室１１が形成されている。この燃焼器２が、複数、例えば６つ、ガスタービンの回転軸心回りに等間隔で配置されている。ハウジングＨは、その基端側に設けられたフランジ１４を介して、圧縮機１およびタービン３を覆うメインハウジング１３に設けたフランジ１３ａに、ボルト（図示せず）により結合されている。ハウジングＨの先端側にはエンドカバー１２がボルト（図示せず）により固定されている。
【００１８】
ハウジングＨの頭部には支持筒５２の基端部が連結されており、この支持筒５２の先端部（図の右端部）に燃焼筒１０の頭部が固定されて、燃焼筒１０が支持筒５２を介してハウジングＨに支持されている。燃焼筒１０の基端部は、タービン３へ燃焼ガスＧを導入する遷移ダクトの入口部５４に嵌入されている。ハウジングＨと燃焼筒１０との間に、圧縮機１からの圧縮空気Ａを燃焼筒１０の頭部へ導く環状の空気通路１６が形成されている。また、支持筒５２の内側には空気導入室１７が形成されており、この支持筒５２に、空気通路１６を通って送られてきた圧縮空気Ａを空気導入室１７内に導く複数の空気導入孔１８が設けられている。
【００１９】
燃焼筒１０の頭部の中央部には、燃料Ｆを燃焼室１１内に直接噴出する拡散燃焼式の単一のパイロットバーナ２０が設けられている。このパイロットバーナ２０の外周には、燃料Ｆと圧縮空気Ａとを予め混合して生成した混合気Ｍを燃焼室１１内に噴出する希薄予混合燃焼式のプライマリ予混合バーナ２１が設けられている。
【００２０】
プライマリ予混合バーナ２１は、エンドカバー１２に支持された内周管２２とこれと同心の外周管２３との間で環状の予混合通路２４を形成し、この予混合通路２４に放射状に延びる複数のプライマリ燃料ノズル２５が配置され、プライマリ燃料ノズル２５の上流側にスワーラ２６が配置されている。内周管２２の内側に燃料導管２７が同心状に配置され、この燃料導管２７の内側にパイロットバーナ用の燃料通路２８が形成され、燃料導管２７と内周管２２との間にプライマリ予混合バーナ２１用の燃料通路２９が形成されている。
【００２１】
パイロットバーナ２０は、内周管２２の先端部にパイロット用の複数のパイロット噴射孔１９を有する。燃料導管２７の内側の燃料通路２８は、内周管２２に設けたパイロット燃料導入口３１に接続されている。予混合通路２４に臨む各プライマリ燃料ノズル２５は径方向に並んだ複数の燃料噴射孔を有し、内周管２２の内側の燃料通路２９に連通し、この燃料通路２９が、内周管２２に設けたプライマリ燃料導入口３２に接続されている。
【００２２】
プライマリ予混合バーナ２１の外周には、これと同心状の環状の予混合通路３４を有する希薄予混合燃焼式のセカンダリ予混合バーナ３５が設けられている。このセカンダリ予混合バーナ３５の径方向外方に開口した環状の空気入口３６に複数のセカンダリ燃料ノズル３７が、周方向に等間隔で配置されている。セカンダリ燃料ノズル３７はエンドカバー１２に設けたセカンダリ燃料導入口３３に接続されている。また、空気入口３６には、セカンダリ燃料ノズル３７の下流に位置するスワーラ３８が配置されている。前記パイロット燃料導入口３１、プライマリ燃料導入口３２およびセカンダリ燃料導入口３３には、図１の燃料供給装置９から燃料制御装置８を介して燃料Ｆが供給される。
【００２３】
プライマリ予混合バーナ２１およびセカンダリ予混合バーナ３５から燃焼室１１内に噴射された予混合気Ｍが燃焼室１１内で燃焼して第１の燃焼領域１１ａを形成する。燃焼筒１０における第１の燃焼領域１１ａよりも下流側には、短いパイプを貫通させて形成された複数の追焚用空気孔４４が周方向に等間隔に配設されている。ハウジングＨにおける各追焚用空気孔４４に対向する部分には、拡散燃焼型の追焚きバーナ４７が、各々の燃料噴出孔を追焚用空気孔４４に臨ませて取り付けられている。この追焚きバーナ４７は、図１の燃料供給装置９から燃料制御装置８を介して供給された燃料Ｆを、追焚用空気孔４４を通じて燃焼筒１０内に噴射して、燃焼室１１内の第１の燃焼領域１１ａの下流側に第２の燃焼領域１１ｂを形成する。燃焼筒１０におけるパイロットバーナ２０および予混合バーナ２１，３５の下流側で追焚きバーナ４７の上流側に点火プラグ４０が装着されている。
【００２４】
つぎに、燃焼器２の動作について説明する。この燃焼器２は、起動時および拡散運転（非低ＮＯX 運転）中にのみパイロットバーナ２０を作動させ、その燃料通路２８のパイロット噴射孔１９から燃料Ｆを噴射して拡散燃焼させる。低ＮＯX 運転中は、プライマリおよびセカンダリ予混合バーナ２１，３５を作動させ、第１の燃焼領域１１ａにおいて希薄燃焼させる。これにより、燃焼温度が低下して、ＮＯX の発生が抑制される。さらに、追焚きバーナ４７から噴出された燃料Ｆは、第１の燃焼領域１１ａによりかなりの高温になっている第２の燃焼領域１１ｂに導入されるので、拡散燃焼であってもＮＯX の発生が抑制される。
【００２５】
図３は燃料制御装置８を含むガスタービンＧＴ全体のコントローラＣＴと燃焼器２とを備えた希薄予混合型燃焼装置を示す系統図である。この希薄予混合型燃焼装置は、構成を大別すると、圧縮機１からの圧縮空気Ａのうち予混合バーナ２１，３５を通る予混合バーナ空気流量を求める空気流量取得手段４９と、求められた予混合空気流量に基づいて一定の空燃比となるように予混合バーナ２１，３５への第１燃料供給量を設定し、発電機出力指令値から、すなわちガスタービンＧＴの負荷に対応した総燃料供給量から第１燃料供給量を差し引いて追焚きバーナ４７への第２燃料供給量を設定する燃料流量設定部５０と、設定された第１および第２燃料供給量となるように予混合バーナ２１，３５と追焚きバーナ４７のそれぞれに燃料Ｆを供給する燃料供給弁部５１とを有している。これら空気流量取得手段４９、燃料流量設定部５０および燃料供給弁部５１が、図１の燃料制御装置８を構成している。
【００２６】
図３の空気流量取得手段４９は、稼働に先立って予め実験的に得たコンプレッサマップを使用して予混合バーナ空気流量を求めるようになっている。先ず、このコンプレッサマップについて説明する。図１のガスタービン発電装置を実際に作動させて、図３の可変静翼角度調節機構６により調節される圧縮機１の可変静翼５３の実角度と、回転速度計６１により得られた回転軸５の回転速度、つまり圧縮機１の回転速度と、圧力センサ６５により得られた圧縮機１の出口圧力とに基づき、図４に示すような圧縮機１の圧力比と空気流量との関係を示すコンプレッサマップを取得する。図４はコンプレッサマップの一例を示したもので、Ｃ１およびＣ２は、それぞれ圧縮機１の回転数が１００％（定格回転数）時に可変静翼５３の実角度が定格値の基準角度に対し１０°および５°ずれたときの各特性曲線であり、Ｃ３およびＣ４は、それぞれ圧縮機１の回転数が９０％時に可変静翼５３の実角度が定格値の基準角度に対し１０°および５°ずれたときの各特性曲線である。このコンプレッサマップは、図３の圧縮機空気量演算部６０にデータテーブルとして記憶されている。
【００２７】
空気流量指令部５７は、発電機７の電力を計測した発電機出力検出信号Ｓ１に対応する負荷率（定格負荷に対する比率）を算出して、その負荷率に基づき求めた可変静翼角度指令信号Ｓ２および抽気弁開度指令信号Ｓ３をそれぞれ可変静翼角度調節機構６および抽気弁３０に対し出力する。可変静翼角度調節機構６は、可変静翼５３の取付角度を可変静翼角度指令信号Ｓ２に基づき調整して可変静翼５３の流出角を変更することにより、圧縮機１を通過する圧縮機空気量を調節する。抽気弁３０は、抽気弁開度指令信号Ｓ３に対応する弁開度に調節して、圧縮機１から送られる圧縮空気Ａのうちの燃焼器２に送給する燃焼用空気ＢＡおよび冷却用空気ＣＡの各空気量に対し余剰となって外部に放出する抽気空気ＥＡの放出量を調節する。これら可変静翼角度調節機構６と抽気弁３０により、燃焼器２へ供給される空気量を発電機７の出力変動（負荷変動）に対応するように調節する。
【００２８】
前記空気流量取得手段４９では以下のような演算を行って予混合バーナ２１，３５の空気流量を求める。すなわち、圧縮機空気量演算部６０は、可変静翼角度調節機構６、回転速度計６１および圧力センサ６５からそれぞれ入力される可変静翼角度検出信号Ｓ４、圧縮機回転速度検出信号Ｓ５および圧力検出信号Ｓ６より求める圧力比を図４に示したコンプレッサマップと対照することにより圧縮機空気量を求め、圧縮機空気量信号Ｓ７を出力する。ここで、圧縮機空気量とは、圧縮機１から送給される圧縮空気Ａの総量であって、燃焼器２に送られる分と抽気弁３０により抽出して放出される余剰分とを含んでいる。
【００２９】
一方、抽気空気量演算部６２は、抽気弁３０から入力する抽気弁開度検出信号Ｓ１１に基づき抽気空気ＥＡの流量を算出して、抽気空気量信号Ｓ１２を出力する。第１の加減算器６３は、前記圧縮機空気量信号Ｓ７から前記抽気空気量信号Ｓ１２を減算して燃焼器空気量を算出し、燃焼器空気量信号Ｓ１３を出力する。さらに、第１の乗算器６４は、燃焼器空気量信号Ｓ１３に予め求めた予混合バーナ流入空気流量係数を乗算して予混合バーナ空気流量を算出し、予混合バーナ空気流量信号Ｓ１４を出力する。
【００３０】
燃料流量指令部６７は、発電機出力指令値（負荷指令値）と発電機出力検出信号（負荷検出信号）Ｓ１とに基づいて、負荷変動に対応してフィードバック制御するための総燃料供給量、つまり所定の発電機出力を得るのに必要な総燃料供給量を算出し、総燃料供給量指令信号Ｓ１６を出力する。前記燃料流量設定部５０において、第２の乗算器６８は、第１の乗算器６４からの予混合バーナ空気流量信号Ｓ１４にＮＯX 排出量が最小となる予混合バーナ最適燃空比を乗算し、常に、一定の空燃比となるように予混合バーナ２１，３５に供給する燃料流量である第１燃料供給量を算出して、第１の流量−弁開度変換部６９に第１燃料供給量指令信号Ｓ１７を出力する。第１の流量−弁開度変換部６９は、第１燃料供給量指令信号Ｓ１７が示す燃料供給量を得るための予混合バーナ弁７２の弁開度を演算により算出して、予混合バーナ弁開度指令信号Ｓ１８を出力する。
【００３１】
一方、燃料流量設定部５０の第２の加減算器７０は、総燃料供給量指令信号Ｓ１６の総燃料供給量から第１燃料供給量指令信号Ｓ１７の第１燃料供給量を減算して追焚きバーナ４７に供給する燃料流量である第２燃料供給量を算出して、第２の流量−弁開度変換部７１に第２燃料供給量指令信号Ｓ１９を出力する。第２の流量−弁開度変換部７１は、第２燃料供給量指令信号Ｓ１９が示す燃料供給量を得るための追焚きバーナ弁７３の弁開度を演算により算出して、追焚きバーナ弁開度指令信号Ｓ２０を出力する。
【００３２】
前記燃料供給弁部５１では、予混合バーナ弁７２が、第１の流量−弁開度変換部６９からの予混合バーナ弁開度指令信号Ｓ１８に対応する弁開度に調節されて、第１燃料供給量の燃料Ｆを予混合バーナ２１，３５に供給する。このとき、燃料Ｆは分配器７５によりプライマリ予混合バーナ２１とセカンダリ予混合バーナ３５とに分配される。この予混合バーナ２１，３５への第１燃料供給量は、上述のように負荷変動に対応した予混合バーナ空気量に基づき最適空燃比となるように設定された燃料流量であるので、負荷の急激な変動が発生した場合であっても、希薄予混合燃焼方式である予混合バーナ２１，３５の空燃比が常に所要の一定値となるように制御されることから、失火や不完全燃焼などが生じるおそれのない安定燃焼を保持できるので、ＮＯX の発生を抑制できる。起動時および拡散運転中のパイロットバーナ２０への燃料供給の制御は、図示しないパイロットバーナ弁の弁開度の調節によりなされる。
【００３３】
一方、追焚きバーナ弁７３は、第２の流量−弁開度変換部７１からの追焚きバーナ弁開度指令信号Ｓ２０に対応する弁開度に調節されて、前記第２燃料供給量の燃料Ｆを追焚きバーナ４７に供給する。この第２燃料供給量は、指令された発電機出力を得るのに必要な総燃料供給量（Ｓ１６に対応）から前記第１燃料供給量（Ｓ１７に対応）を差し引いたものであるから、第１燃料供給量が負荷の変動に対して遅れて変動しても、第２燃料供給量（Ｓ２０に対応）は急激に変動する。つまり、第１と第２の燃料供給量の合計は常に燃料流量指令部６７で算出した総燃料供給量に一致するよう制御される。換言すれば、負荷の急激な変動に対応するよう総燃料供給量のうちの負荷変動による増加分または減少分が、第２燃料供給量として、時間遅れなく追焚きバーナ４７に供給される。
【００３４】
ここで、追焚きバーナ４７は、拡散燃焼型であるから、安定燃焼のための空燃比範囲が広いので、燃料供給量を急激に増減させても、失火や不完全燃焼のおそれが少ない。また、追焚きバーナ４７は、第１の燃焼領域１１ａからの高温の燃焼ガスＧによって高温になっている第２の燃焼領域１１ｂに燃料Ｆを噴射するので、ＮＯX の発生量を増加させない。特に、拡散バーナのみで燃焼させる場合と比べて、ＮＯX の発生量が少なくなる。実測によると、追焚きバーナ４７に供給する第２燃料供給流量は、総燃料供給流量に対し２０〜２５％までの供給割合の範囲内において、追焚きしない場合と比べてＮＯX が全く増加せず、むしろ僅かに減少することが確認されている。これにより、ＮＯX の発生を抑制しながら、負荷の急激な変動に対する燃料供給量の追従性が向上する。
【００３５】
つぎに、図５のタイミングチャートを参照しながら、負荷の急激な変動時における動作について説明する。同図（ａ）に示すように、負荷を急激に低下させる指令が出された場合、同図（ｄ）に示すように、予混合バーナ２１，３５への空気供給量が負荷変動に対応して減少するように制御されるが、この空気供給量の制御は、可変静翼５３の角度の変更による圧縮機１の空気流量の調節および抽気弁３０の弁開度の可変による抽気空気ＥＡの放出量の調節によって行われるので、応答速度が遅い。
【００３６】
これに対し、同図（ｂ）に示すように、希薄予混合燃焼式の予混合バーナ２１，３５に供給する第１燃料供給量は、可変静翼５３の角度および抽気弁３０の弁開度から求めた圧縮機空気量から抽気空気量を差し引いて燃焼器空気量を算出したのち、この燃焼器空気量に基づき算出した予混合バーナ２１，３５への空気供給量に基づき設定されるので、応答性の遅い予混合バーナ２１，３５への空気供給量の変化に対応したものとなる。これにより、同図（ｅ）に示すように、予混合バーナ２１，３５の空燃比は、負荷の急激な変動にもかかわらず常に所要の一定値を維持するので、安定燃焼を保持してＮＯX の発生を抑制できる。
【００３７】
一方、同図（ｃ）に示すように、追焚きバーナ４７に供給される第２燃料供給量は、負荷の急激な低下に対応するように設定された総燃料供給量のうちの第１燃料供給量の減少度合いが遅いのに伴って余剰となる燃料量だけリアルタイムに減少される。これにより、負荷の急激な低減に対する発電機出力の追従性が向上する。
【００３８】
なお、前記実施形態では、予混合バーナ２１，３５への予混合バーナ空気流量を求めるに際して、コンプレッサマップを用いる場合を例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、圧縮機空気量もしくは予混合バーナ空気流量を空気流量計によって直接計測できる場合、コンプレッサマップは不要になる。
【００３９】
また、燃焼器２は、複数に限られず、いわゆる単缶式燃焼装置に見られるように、１つでもよい。拡散燃焼型バーナである追焚きバーナ４７は、予混合バーナ２１，３５の下流側に配置される必要はなく、上流側またはガス流れ方向の同一位置に配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の希薄予混合型燃焼装置が適用されるガスタービン発電装置を示した概略構成図である。
【図２】同上のガスタービン発電装置における燃焼器を示す縦断面図である。
【図３】同上の燃焼器を用いて構成した本発明の一実施形態に係る希薄予混合型燃焼装置を示す系統図である。
【図４】同上の希薄予混合型燃焼装置で使用するコンプレッサマップの一例を示す特性図である。
【図５】（ａ）〜（ｅ）は同上の希薄予混合型燃焼装置おける負荷、第１および第２燃料供給量、予混合バーナ空気供給量および予混合バーナ空燃比をそれぞれ示すタイミングチャートである。
【図６】従来の希薄予混合型燃焼装置おける負荷、予混合バーナ燃料供給量、予混合バーナ空気供給量および予混合バーナ空燃比をそれぞれ示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１ 圧縮機
３ タービン
２１，３５ 予混合バーナ
３０ 抽気弁
４７ 追焚きバーナ
４９ 空気流量取得手段
５０ 燃料流量設定部
５１ 燃料供給弁部
５３ 可変静翼
Ａ 圧縮空気
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷が急激に変動した場合にも希薄予混合燃焼を安定に維持できるとともに、燃料供給量の負荷変動に対する追従性の向上を図った希薄予混合型燃焼装置とその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンにおいては、排ガス組成に関して厳しい環境基準が設けられており、特に、窒素酸化物（以下、ＮＯX という。）の排出量の低減が望まれている。低ＮＯX 化の手段として、燃焼室内に水や蒸気を噴射して燃焼火炎温度を低下させる方法が以前により採用されていたが、この方法では、エンジン熱効率の低下や悪い水質によるタービンの腐食に伴う寿命低下などの種々の欠点があった。近年では、水や蒸気を用いないドライ式でＮＯX を低減する手段として、希薄予混合燃焼方式が有効であることがよく知られている。この希薄予混合燃焼方式は、空気と燃料を予め混合して燃料濃度を均一化した混合気として燃焼させるため、局所的に火炎温度が高温となる燃焼領域が存在せず、かつ燃料の希薄化により全体的にも火炎温度を低くできることから、ＮＯX 発生量を効果的に低減することができる。
【０００３】
ところが、この希薄予混合燃焼方式では、ＮＯX の発生量が少なく、かつ失火の発生無しに高い燃焼効率で安定に燃焼させることができる空燃比の範囲が極めて狭い。したがって、空燃比が高過ぎると不完全燃焼が生じて燃焼安定性が著しく低下し、逆に空燃比が低くなり過ぎると燃料過濃になって生成されるＮＯX が指数関数的に増加する。そのため、ガスタービンの広い負荷範囲において低ＮＯX で、かつ高い燃焼効率を維持するためには、ガスタービンの作動条件にかかわらず空気と燃料の混合比（空燃比）を一定範囲内に維持するように正確に制御する必要がある。
【０００４】
この空燃比を一定範囲内に維持するために、負荷が増大するのに対応して複数のメイン予混合バーナをオン・オフ制御することによりメイン予混合バーナの作動数を増加させるとともに、追焚きバーナへの燃料供給量を負荷の変化に応じて連続的に制御することにより、負荷に応じた出力制御を行うようにしたガスタービンの燃焼器が知られている（特許文献１参照）。また、燃焼器の空燃比制御を、燃料流量指令に基づき所定の空燃比になる空気流量のフィードフォワード信号を求め、このフィードフォワード信号により空気流量調節機構を制御する方法も開示されている（特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２１０６４１号公報
【特許文献２】特開平７−２６９３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の燃焼器では、負荷が増大するのに対応して複数のメイン予混合バーナのうちの作動数を順次増加させる際に、同一作動数において負荷が増大していくと、空気量が一定であるのに対し燃料供給量が増加するので、燃料が濃くなってＮＯX 発生量が増大していき、燃焼中のメイン予混合バーナの理論空燃比に近づいてＮＯX 発生量が大幅に増えた時点でメイン予混合バーナの作動数を増加させ、これにより燃料濃度を薄くしてＮＯX 発生量を急激に低下させる動作を繰り返すので、負荷が急激に増加または減少した場合にＮＯX 排出量の増加減が大きくなるという課題がある。
【０００７】
また、特許文献３の空燃比制御手段では、燃料流量指令に基づき求めた所定の空燃比となる空気流量のフィードフォワード信号により空気流量調節機構の制御を行うと、空気流量制御系と燃料流量制御系の各々の応答速度が相違することから、負荷が急激に変動した過渡状態において空燃比を一定に保つのが困難となる。すなわち、一般に、空気流量制御系の応答は燃料流量制御系に比べて遅いので、図６（ａ）に示すようにガスタービンの負荷が急激に減少した場合には、同図（ｂ）に示す予混合バーナへの燃料供給量が同図（ｃ）に示す予混合バーナへの空気供給量よりも先に減少するので、同図（ｄ）に示すように空燃比が大きくなって失火が発生し、安定燃焼を維持することができなくなる。
【０００８】
このような失火の発生を防止するために、予め空燃比を小さく設定して空気流量を少なくするように図ると、燃焼火炎温度が高くなってＮＯX 発生量が増加することになるので、空燃比をあまり小さく設定することができない。一方、空気流量制御系と燃料流量制御系の各々の応答速度の相違に起因する空燃比の変化を無くするために、燃料流量制御系を応答速度の遅い空気流量制御系に合わせて制御することが考えられるが、そのようにした場合には、ガスタービンの負荷追従性が悪くなるという別の課題が生じる。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題に鑑みてなされたもので、負荷が急激に変動した過渡状態でも予混合バーナの空燃比を一定に保持して安定な希薄予混合燃焼を維持しながらも、負荷の変動に対し良好な追従性を有する希薄予混合型燃焼装置とこれを制御する方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る希薄予混合型燃焼装置は、圧縮機から供給される圧縮空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスをタービンに供給する燃焼装置であって、少なくとも一つの予混合バーナと、少なくとも一つの拡散燃焼型の追焚きバーナと、前記圧縮空気のうち前記予混合バーナを通る予混合バーナ空気流量を求める空気流量取得手段と、求められた前記予混合バーナ空気流量に基づいて一定の空燃比となるように前記予混合バーナへの第１燃料供給量を設定し、負荷に対応した総燃料供給量から前記第１燃料供給量を差し引いて前記追焚きバーナへの第２燃料供給量を設定する燃料流量設定部と、設定された前記第１および第２燃料供給量となるように前記予混合バーナと前記追焚きバーナのそれぞれに燃料を供給する燃料供給弁部と、を備えている。
【００１１】
この構成によれば、圧縮機から供給される圧縮空気のうちの予混合バーナを通る予混合バーナ空気流量に基づいて一定の空燃比になるように予混合バーナへの第１燃料供給流量を設定しているので、燃料供給制御系による予混合バーナへの燃料供給量は、空気流量制御系による予混合バーナ空気流量に対応するように制御されるから、負荷が急激に変動した場合であっても、予混合バーナへの空燃比が常に一定に維持されるので、失火や不完全燃焼などが生じるおそれのない安定燃焼を保持でき、ＮＯX の発生を抑制できる。しかも、空燃比は、予混合バーナ空気流量に基づいて設定することから、希薄燃焼を達成するために可及的に大きく設定することが可能となり、これにより、ＮＯX の発生を効果的に抑制することができる。また、負荷の急激な変動に対応して設定する総燃料供給量から第１燃料供給量を差し引いた第２燃料供給量を拡散燃焼型の追焚きバーナに供給するので、総燃料供給量のうちの急激な負荷変動に伴う増加分または減少分が時間遅れなく追焚きバーナに供給されるから、負荷の急激な変動に対する追従性が向上する。ここで、拡散燃焼型の追焚きバーナは、安定燃焼のための空燃比の範囲が広いので、燃料供給量が急激に増減しても失火や不完全燃焼のおそれが少ない。また、追焚きバーナは予混合バーナによる高温燃焼ガス中で燃焼を行うので、ＮＯX 排出量を増加させない。
【００１２】
本発明において、前記空気流量取得手段は、前記圧縮機の圧力比と空気流量の関係を示すコンプレッサマップを使用して前記予混合バーナ空気流量を求めることが好ましい。この構成によれば、負荷の急激な変動時にも予混合バーナ空気流量を容易、かつ正確に求めることができる。
【００１３】
また、前記コンプレッサマップを使用するに際して、前記空気流量取得手段は、前記コンプレッサマップから前記圧縮機の可変静翼角度に基づき圧縮機空気量を求め、この圧縮機空気量と前記圧縮空気の一部を外部に放出する抽気弁の開度とに基づき前記予混合バーナ空気流量を求めることが好ましい。この構成によれば、予混合バーナへの第１燃料供給流量を、予混合バーナ空気流量に基づいて一定の空燃比になるように設定することから、、予混合バーナの空気流量は負荷変動に追従して制御する必要がないので、空気量調節機構として安価で応答速度の遅い可変静翼および抽気弁を採用しても、予混合バーナの空燃比を負荷の変動によらず常に一定に保つことができる。ここでいう圧縮機空気量とは、圧縮機から送給される圧縮空気の総量であって、燃焼器に送られる分と抽出して外部に排出される余剰分とを含んでいる。
【００１４】
本発明に係る希薄予混合型燃焼装置の制御方法によっても上述した希薄予混合型燃焼装置と同様の効果が得られる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の希薄予混合型燃焼装置とその制御方法によれば、燃料供給制御系による予混合バーナへの燃料供給量を、応答性の遅い空気流量制御系による予混合バーナ空気流量に対応して制御するようにしたので、負荷が急激に変動した場合であっても、予混合バーナへの空燃比を常に一定に維持して失火や不完全燃焼などが生じるおそれのない安定燃焼を保持でき、ＮＯX の発生を抑制できる。また、総燃料供給量から第１燃料供給量を差し引いた第２燃料供給量を拡散燃焼型の追焚きバーナに供給するようにしたので、負荷の急激な変動に対する燃料供給量の追従性が向上する。しかも、追焚きバーナは拡散燃焼型であるから、安定燃焼のための空燃比の範囲が広いので、燃料供給量を急激に増減させても失火や不完全燃焼のおそれが少ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の一実施形態の希薄予混合型燃焼装置が適用されるガスタービン発電装置を示した概略構成図である。ガスタービンＧＴは圧縮機１、燃焼器２およびタービン３を主構成要素として有し、圧縮機１から供給される圧縮空気Ａを燃焼器２で燃焼させ、それにより発生する高温高圧の燃焼ガスＧをタービン３に供給する。圧縮機１は回転軸５を介してタービン３により駆動される。圧縮機１には、その上段の静翼の角度を変更して圧縮機空気量を調節する角度調節機構６が取り付けられている。また、圧縮機１と燃焼器２を接続する圧縮空気通路には、一部の圧縮空気Ａを外部に放出するための抽気弁３０が設けられている。前記タービン３はまた、減速機４を介して発電機７を駆動する。燃焼器２には、燃料供給装置９から送給される天然ガスのようなガス燃料または液体燃料が、燃料制御装置８を介して供給される。前記燃焼器２および燃料制御装置８が本発明の希薄予混合型燃焼装置の一部を構成する。
【００１７】
図２は前記燃焼器２を示す縦断面図である。同図において、この燃焼器２は、円筒状のハウジングＨ内に、ほぼ円筒状の燃焼筒１０が同心状の配置で収納されており、この燃焼筒１０内に燃焼室１１が形成されている。この燃焼器２が、複数、例えば６つ、ガスタービンの回転軸心回りに等間隔で配置されている。ハウジングＨは、その基端側に設けられたフランジ１４を介して、圧縮機１およびタービン３を覆うメインハウジング１３に設けたフランジ１３ａに、ボルト（図示せず）により結合されている。ハウジングＨの先端側にはエンドカバー１２がボルト（図示せず）により固定されている。
【００１８】
ハウジングＨの頭部には支持筒５２の基端部が連結されており、この支持筒５２の先端部（図の右端部）に燃焼筒１０の頭部が固定されて、燃焼筒１０が支持筒５２を介してハウジングＨに支持されている。燃焼筒１０の基端部は、タービン３へ燃焼ガスＧを導入する遷移ダクトの入口部５４に嵌入されている。ハウジングＨと燃焼筒１０との間に、圧縮機１からの圧縮空気Ａを燃焼筒１０の頭部へ導く環状の空気通路１６が形成されている。また、支持筒５２の内側には空気導入室１７が形成されており、この支持筒５２に、空気通路１６を通って送られてきた圧縮空気Ａを空気導入室１７内に導く複数の空気導入孔１８が設けられている。
【００１９】
燃焼筒１０の頭部の中央部には、燃料Ｆを燃焼室１１内に直接噴出する拡散燃焼式の単一のパイロットバーナ２０が設けられている。このパイロットバーナ２０の外周には、燃料Ｆと圧縮空気Ａとを予め混合して生成した混合気Ｍを燃焼室１１内に噴出する希薄予混合燃焼式のプライマリ予混合バーナ２１が設けられている。
【００２０】
プライマリ予混合バーナ２１は、エンドカバー１２に支持された内周管２２とこれと同心の外周管２３との間で環状の予混合通路２４を形成し、この予混合通路２４に放射状に延びる複数のプライマリ燃料ノズル２５が配置され、プライマリ燃料ノズル２５の上流側にスワーラ２６が配置されている。内周管２２の内側に燃料導管２７が同心状に配置され、この燃料導管２７の内側にパイロットバーナ用の燃料通路２８が形成され、燃料導管２７と内周管２２との間にプライマリ予混合バーナ２１用の燃料通路２９が形成されている。
【００２１】
パイロットバーナ２０は、内周管２２の先端部にパイロット用の複数のパイロット噴射孔１９を有する。燃料導管２７の内側の燃料通路２８は、内周管２２に設けたパイロット燃料導入口３１に接続されている。予混合通路２４に臨む各プライマリ燃料ノズル２５は径方向に並んだ複数の燃料噴射孔を有し、内周管２２の内側の燃料通路２９に連通し、この燃料通路２９が、内周管２２に設けたプライマリ燃料導入口３２に接続されている。
【００２２】
プライマリ予混合バーナ２１の外周には、これと同心状の環状の予混合通路３４を有する希薄予混合燃焼式のセカンダリ予混合バーナ３５が設けられている。このセカンダリ予混合バーナ３５の径方向外方に開口した環状の空気入口３６に複数のセカンダリ燃料ノズル３７が、周方向に等間隔で配置されている。セカンダリ燃料ノズル３７はエンドカバー１２に設けたセカンダリ燃料導入口３３に接続されている。また、空気入口３６には、セカンダリ燃料ノズル３７の下流に位置するスワーラ３８が配置されている。前記パイロット燃料導入口３１、プライマリ燃料導入口３２およびセカンダリ燃料導入口３３には、図１の燃料供給装置９から燃料制御装置８を介して燃料Ｆが供給される。
【００２３】
プライマリ予混合バーナ２１およびセカンダリ予混合バーナ３５から燃焼室１１内に噴射された予混合気Ｍが燃焼室１１内で燃焼して第１の燃焼領域１１ａを形成する。燃焼筒１０における第１の燃焼領域１１ａよりも下流側には、短いパイプを貫通させて形成された複数の追焚用空気孔４４が周方向に等間隔に配設されている。ハウジングＨにおける各追焚用空気孔４４に対向する部分には、拡散燃焼型の追焚きバーナ４７が、各々の燃料噴出孔を追焚用空気孔４４に臨ませて取り付けられている。この追焚きバーナ４７は、図１の燃料供給装置９から燃料制御装置８を介して供給された燃料Ｆを、追焚用空気孔４４を通じて燃焼筒１０内に噴射して、燃焼室１１内の第１の燃焼領域１１ａの下流側に第２の燃焼領域１１ｂを形成する。燃焼筒１０におけるパイロットバーナ２０および予混合バーナ２１，３５の下流側で追焚きバーナ４７の上流側に点火プラグ４０が装着されている。
【００２４】
つぎに、燃焼器２の動作について説明する。この燃焼器２は、起動時および拡散運転（非低ＮＯX 運転）中にのみパイロットバーナ２０を作動させ、その燃料通路２８のパイロット噴射孔１９から燃料Ｆを噴射して拡散燃焼させる。低ＮＯX 運転中は、プライマリおよびセカンダリ予混合バーナ２１，３５を作動させ、第１の燃焼領域１１ａにおいて希薄燃焼させる。これにより、燃焼温度が低下して、ＮＯX の発生が抑制される。さらに、追焚きバーナ４７から噴出された燃料Ｆは、第１の燃焼領域１１ａによりかなりの高温になっている第２の燃焼領域１１ｂに導入されるので、拡散燃焼であってもＮＯX の発生が抑制される。
【００２５】
図３は燃料制御装置８を含むガスタービンＧＴ全体のコントローラＣＴと燃焼器２とを備えた希薄予混合型燃焼装置を示す系統図である。この希薄予混合型燃焼装置は、構成を大別すると、圧縮機１からの圧縮空気Ａのうち予混合バーナ２１，３５を通る予混合バーナ空気流量を求める空気流量取得手段４９と、求められた予混合空気流量に基づいて一定の空燃比となるように予混合バーナ２１，３５への第１燃料供給量を設定し、発電機出力指令値から、すなわちガスタービンＧＴの負荷に対応した総燃料供給量から第１燃料供給量を差し引いて追焚きバーナ４７への第２燃料供給量を設定する燃料流量設定部５０と、設定された第１および第２燃料供給量となるように予混合バーナ２１，３５と追焚きバーナ４７のそれぞれに燃料Ｆを供給する燃料供給弁部５１とを有している。これら空気流量取得手段４９、燃料流量設定部５０および燃料供給弁部５１が、図１の燃料制御装置８を構成している。
【００２６】
図３の空気流量取得手段４９は、稼働に先立って予め実験的に得たコンプレッサマップを使用して予混合バーナ空気流量を求めるようになっている。先ず、このコンプレッサマップについて説明する。図１のガスタービン発電装置を実際に作動させて、図３の可変静翼角度調節機構６により調節される圧縮機１の可変静翼５３の実角度と、回転速度計６１により得られた回転軸５の回転速度、つまり圧縮機１の回転速度と、圧力センサ６５により得られた圧縮機１の出口圧力とに基づき、図４に示すような圧縮機１の圧力比と空気流量との関係を示すコンプレッサマップを取得する。図４はコンプレッサマップの一例を示したもので、Ｃ１およびＣ２は、それぞれ圧縮機１の回転数が１００％（定格回転数）時に可変静翼５３の実角度が定格値の基準角度に対し１０°および５°ずれたときの各特性曲線であり、Ｃ３およびＣ４は、それぞれ圧縮機１の回転数が９０％時に可変静翼５３の実角度が定格値の基準角度に対し１０°および５°ずれたときの各特性曲線である。このコンプレッサマップは、図３の圧縮機空気量演算部６０にデータテーブルとして記憶されている。
【００２７】
空気流量指令部５７は、発電機７の電力を計測した発電機出力検出信号Ｓ１に対応する負荷率（定格負荷に対する比率）を算出して、その負荷率に基づき求めた可変静翼角度指令信号Ｓ２および抽気弁開度指令信号Ｓ３をそれぞれ可変静翼角度調節機構６および抽気弁３０に対し出力する。可変静翼角度調節機構６は、可変静翼５３の取付角度を可変静翼角度指令信号Ｓ２に基づき調整して可変静翼５３の流出角を変更することにより、圧縮機１を通過する圧縮機空気量を調節する。抽気弁３０は、抽気弁開度指令信号Ｓ３に対応する弁開度に調節して、圧縮機１から送られる圧縮空気Ａのうちの燃焼器２に送給する燃焼用空気ＢＡおよび冷却用空気ＣＡの各空気量に対し余剰となって外部に放出する抽気空気ＥＡの放出量を調節する。これら可変静翼角度調節機構６と抽気弁３０により、燃焼器２へ供給される空気量を発電機７の出力変動（負荷変動）に対応するように調節する。
【００２８】
前記空気流量取得手段４９では以下のような演算を行って予混合バーナ２１，３５の空気流量を求める。すなわち、圧縮機空気量演算部６０は、可変静翼角度調節機構６、回転速度計６１および圧力センサ６５からそれぞれ入力される可変静翼角度検出信号Ｓ４、圧縮機回転速度検出信号Ｓ５および圧力検出信号Ｓ６より求める圧力比を図４に示したコンプレッサマップと対照することにより圧縮機空気量を求め、圧縮機空気量信号Ｓ７を出力する。ここで、圧縮機空気量とは、圧縮機１から送給される圧縮空気Ａの総量であって、燃焼器２に送られる分と抽気弁３０により抽出して放出される余剰分とを含んでいる。
【００２９】
一方、抽気空気量演算部６２は、抽気弁３０から入力する抽気弁開度検出信号Ｓ１１に基づき抽気空気ＥＡの流量を算出して、抽気空気量信号Ｓ１２を出力する。第１の加減算器６３は、前記圧縮機空気量信号Ｓ７から前記抽気空気量信号Ｓ１２を減算して燃焼器空気量を算出し、燃焼器空気量信号Ｓ１３を出力する。さらに、第１の乗算器６４は、燃焼器空気量信号Ｓ１３に予め求めた予混合バーナ流入空気流量係数を乗算して予混合バーナ空気流量を算出し、予混合バーナ空気流量信号Ｓ１４を出力する。
【００３０】
燃料流量指令部６７は、発電機出力指令値（負荷指令値）と発電機出力検出信号（負荷検出信号）Ｓ１とに基づいて、負荷変動に対応してフィードバック制御するための総燃料供給量、つまり所定の発電機出力を得るのに必要な総燃料供給量を算出し、総燃料供給量指令信号Ｓ１６を出力する。前記燃料流量設定部５０において、第２の乗算器６８は、第１の乗算器６４からの予混合バーナ空気流量信号Ｓ１４にＮＯX 排出量が最小となる予混合バーナ最適燃空比を乗算し、常に、一定の空燃比となるように予混合バーナ２１，３５に供給する燃料流量である第１燃料供給量を算出して、第１の流量−弁開度変換部６９に第１燃料供給量指令信号Ｓ１７を出力する。第１の流量−弁開度変換部６９は、第１燃料供給量指令信号Ｓ１７が示す燃料供給量を得るための予混合バーナ弁７２の弁開度を演算により算出して、予混合バーナ弁開度指令信号Ｓ１８を出力する。
【００３１】
一方、燃料流量設定部５０の第２の加減算器７０は、総燃料供給量指令信号Ｓ１６の総燃料供給量から第１燃料供給量指令信号Ｓ１７の第１燃料供給量を減算して追焚きバーナ４７に供給する燃料流量である第２燃料供給量を算出して、第２の流量−弁開度変換部７１に第２燃料供給量指令信号Ｓ１９を出力する。第２の流量−弁開度変換部７１は、第２燃料供給量指令信号Ｓ１９が示す燃料供給量を得るための追焚きバーナ弁７３の弁開度を演算により算出して、追焚きバーナ弁開度指令信号Ｓ２０を出力する。
【００３２】
前記燃料供給弁部５１では、予混合バーナ弁７２が、第１の流量−弁開度変換部６９からの予混合バーナ弁開度指令信号Ｓ１８に対応する弁開度に調節されて、第１燃料供給量の燃料Ｆを予混合バーナ２１，３５に供給する。このとき、燃料Ｆは分配器７５によりプライマリ予混合バーナ２１とセカンダリ予混合バーナ３５とに分配される。この予混合バーナ２１，３５への第１燃料供給量は、上述のように負荷変動に対応した予混合バーナ空気量に基づき最適空燃比となるように設定された燃料流量であるので、負荷の急激な変動が発生した場合であっても、希薄予混合燃焼方式である予混合バーナ２１，３５の空燃比が常に所要の一定値となるように制御されることから、失火や不完全燃焼などが生じるおそれのない安定燃焼を保持できるので、ＮＯX の発生を抑制できる。起動時および拡散運転中のパイロットバーナ２０への燃料供給の制御は、図示しないパイロットバーナ弁の弁開度の調節によりなされる。
【００３３】
一方、追焚きバーナ弁７３は、第２の流量−弁開度変換部７１からの追焚きバーナ弁開度指令信号Ｓ２０に対応する弁開度に調節されて、前記第２燃料供給量の燃料Ｆを追焚きバーナ４７に供給する。この第２燃料供給量は、指令された発電機出力を得るのに必要な総燃料供給量（Ｓ１６に対応）から前記第１燃料供給量（Ｓ１７に対応）を差し引いたものであるから、第１燃料供給量が負荷の変動に対して遅れて変動しても、第２燃料供給量（Ｓ２０に対応）は急激に変動する。つまり、第１と第２の燃料供給量の合計は常に燃料流量指令部６７で算出した総燃料供給量に一致するよう制御される。換言すれば、負荷の急激な変動に対応するよう総燃料供給量のうちの負荷変動による増加分または減少分が、第２燃料供給量として、時間遅れなく追焚きバーナ４７に供給される。
【００３４】
ここで、追焚きバーナ４７は、拡散燃焼型であるから、安定燃焼のための空燃比範囲が広いので、燃料供給量を急激に増減させても、失火や不完全燃焼のおそれが少ない。また、追焚きバーナ４７は、第１の燃焼領域１１ａからの高温の燃焼ガスＧによって高温になっている第２の燃焼領域１１ｂに燃料Ｆを噴射するので、ＮＯX の発生量を増加させない。特に、拡散バーナのみで燃焼させる場合と比べて、ＮＯX の発生量が少なくなる。実測によると、追焚きバーナ４７に供給する第２燃料供給流量は、総燃料供給流量に対し２０〜２５％までの供給割合の範囲内において、追焚きしない場合と比べてＮＯX が全く増加せず、むしろ僅かに減少することが確認されている。これにより、ＮＯX の発生を抑制しながら、負荷の急激な変動に対する燃料供給量の追従性が向上する。
【００３５】
つぎに、図５のタイミングチャートを参照しながら、負荷の急激な変動時における動作について説明する。同図（ａ）に示すように、負荷を急激に低下させる指令が出された場合、同図（ｄ）に示すように、予混合バーナ２１，３５への空気供給量が負荷変動に対応して減少するように制御されるが、この空気供給量の制御は、可変静翼５３の角度の変更による圧縮機１の空気流量の調節および抽気弁３０の弁開度の可変による抽気空気ＥＡの放出量の調節によって行われるので、応答速度が遅い。
【００３６】
これに対し、同図（ｂ）に示すように、希薄予混合燃焼式の予混合バーナ２１，３５に供給する第１燃料供給量は、可変静翼５３の角度および抽気弁３０の弁開度から求めた圧縮機空気量から抽気空気量を差し引いて燃焼器空気量を算出したのち、この燃焼器空気量に基づき算出した予混合バーナ２１，３５への空気供給量に基づき設定されるので、応答性の遅い予混合バーナ２１，３５への空気供給量の変化に対応したものとなる。これにより、同図（ｅ）に示すように、予混合バーナ２１，３５の空燃比は、負荷の急激な変動にもかかわらず常に所要の一定値を維持するので、安定燃焼を保持してＮＯX の発生を抑制できる。
【００３７】
一方、同図（ｃ）に示すように、追焚きバーナ４７に供給される第２燃料供給量は、負荷の急激な低下に対応するように設定された総燃料供給量のうちの第１燃料供給量の減少度合いが遅いのに伴って余剰となる燃料量だけリアルタイムに減少される。これにより、負荷の急激な低減に対する発電機出力の追従性が向上する。
【００３８】
なお、前記実施形態では、予混合バーナ２１，３５への予混合バーナ空気流量を求めるに際して、コンプレッサマップを用いる場合を例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、圧縮機空気量もしくは予混合バーナ空気流量を空気流量計によって直接計測できる場合、コンプレッサマップは不要になる。
【００３９】
また、燃焼器２は、複数に限られず、いわゆる単缶式燃焼装置に見られるように、１つでもよい。拡散燃焼型バーナである追焚きバーナ４７は、予混合バーナ２１，３５の下流側に配置される必要はなく、上流側またはガス流れ方向の同一位置に配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の希薄予混合型燃焼装置が適用されるガスタービン発電装置を示した概略構成図である。
【図２】同上のガスタービン発電装置における燃焼器を示す縦断面図である。
【図３】同上の燃焼器を用いて構成した本発明の一実施形態に係る希薄予混合型燃焼装置を示す系統図である。
【図４】同上の希薄予混合型燃焼装置で使用するコンプレッサマップの一例を示す特性図である。
【図５】（ａ）〜（ｅ）は同上の希薄予混合型燃焼装置おける負荷、第１および第２燃料供給量、予混合バーナ空気供給量および予混合バーナ空燃比をそれぞれ示すタイミングチャートである。
【図６】従来の希薄予混合型燃焼装置おける負荷、予混合バーナ燃料供給量、予混合バーナ空気供給量および予混合バーナ空燃比をそれぞれ示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１ 圧縮機
３ タービン
２１，３５ 予混合バーナ
３０ 抽気弁
４７ 追焚きバーナ
４９ 空気流量取得手段
５０ 燃料流量設定部
５１ 燃料供給弁部
５３ 可変静翼
Ａ 圧縮空気
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機から供給される圧縮空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスをタービンに供給する燃焼装置であって、
少なくとも一つの予混合バーナと、
少なくとも一つの拡散燃焼型の追焚きバーナと、
前記圧縮空気のうち前記予混合バーナを通る予混合バーナ空気流量を求める空気流量取得手段と、
求められた前記予混合バーナ空気流量に基づいて一定の空燃比となるように前記予混合バーナへの第１燃料供給量を設定し、負荷に対応した総燃料供給量から前記第１燃料供給量を差し引いて前記追焚きバーナへの第２燃料供給量を設定する燃料流量設定部と、
設定された前記第１および第２燃料供給量となるように前記予混合バーナと前記追焚きバーナのそれぞれに燃料を供給する燃料供給弁部と、
を備えた希薄予混合型燃焼装置。
【請求項２】
請求項１において、前記空気流量取得手段は、前記圧縮機の圧力比と空気流量の関係を示すコンプレッサマップを使用して前記予混合バーナ空気流量を求める希薄予混合型燃焼装置。
【請求項３】
請求項２において、前記空気流量取得手段は、前記コンプレッサマップから前記圧縮機の回転速度および圧力比と可変静翼角度とに基づき圧縮機空気量を求め、この圧縮機空気量と前記圧縮空気の一部を外部に放出する抽気弁の開度とに基づき前記予混合バーナ空気流量を求める希薄予混合型燃焼装置。
【請求項４】
少なくとも一つの予混合バーナと少なくとも一つの拡散燃焼型の追焚きバーナとを備え、圧縮機から供給される圧縮空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスをタービンに供給する燃焼装置を制御する方法であって、
前記圧縮空気のうち前記予混合バーナを通る予混合バーナ空気流量を求めるステップと、
求められた前記予混合バーナ空気流量に基づいて一定の空燃比となるように前記予混合バーナへの第１燃料供給量を設定し、負荷に対応した総燃料供給量から前記第１燃料供給量を差し引いて前記追焚きバーナへの第２燃料供給量を設定するステップと、
設定された前記第１および第２燃料供給量となるように前記予混合バーナと前記追焚きバーナのそれぞれに燃料を供給するステップと、
を備えた希薄予混合型燃焼装置の制御方法。
【請求項５】
請求項４において、前記圧縮機の圧力比と空気流量の関係を示すコンプレッサマップを使用して前記予混合バーナ空気流量を求める希薄予混合型燃焼装置の制御方法。
【請求項６】
請求項５において、前記コンプレッサマップから前記圧縮機の回転速度および圧力比と可変静翼角度とに基づき圧縮機空気量を求め、この圧縮機空気量と前記圧縮空気の一部を外部に放出する抽気弁の開度とに基づき前記予混合バーナ空気流量を求める希薄予混合型燃焼装置の制御方法。
【請求項１】
圧縮機から供給される圧縮空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスをタービンに供給する燃焼装置であって、
少なくとも一つの予混合バーナと、
少なくとも一つの拡散燃焼型の追焚きバーナと、
前記圧縮空気のうち前記予混合バーナを通る予混合バーナ空気流量を求める空気流量取得手段と、
求められた前記予混合バーナ空気流量に基づいて一定の空燃比となるように前記予混合バーナへの第１燃料供給量を設定し、負荷に対応した総燃料供給量から前記第１燃料供給量を差し引いて前記追焚きバーナへの第２燃料供給量を設定する燃料流量設定部と、
設定された前記第１および第２燃料供給量となるように前記予混合バーナと前記追焚きバーナのそれぞれに燃料を供給する燃料供給弁部と、
を備えた希薄予混合型燃焼装置。
【請求項２】
請求項１において、前記空気流量取得手段は、前記圧縮機の圧力比と空気流量の関係を示すコンプレッサマップを使用して前記予混合バーナ空気流量を求める希薄予混合型燃焼装置。
【請求項３】
請求項２において、前記空気流量取得手段は、前記コンプレッサマップから前記圧縮機の回転速度および圧力比と可変静翼角度とに基づき圧縮機空気量を求め、この圧縮機空気量と前記圧縮空気の一部を外部に放出する抽気弁の開度とに基づき前記予混合バーナ空気流量を求める希薄予混合型燃焼装置。
【請求項４】
少なくとも一つの予混合バーナと少なくとも一つの拡散燃焼型の追焚きバーナとを備え、圧縮機から供給される圧縮空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスをタービンに供給する燃焼装置を制御する方法であって、
前記圧縮空気のうち前記予混合バーナを通る予混合バーナ空気流量を求めるステップと、
求められた前記予混合バーナ空気流量に基づいて一定の空燃比となるように前記予混合バーナへの第１燃料供給量を設定し、負荷に対応した総燃料供給量から前記第１燃料供給量を差し引いて前記追焚きバーナへの第２燃料供給量を設定するステップと、
設定された前記第１および第２燃料供給量となるように前記予混合バーナと前記追焚きバーナのそれぞれに燃料を供給するステップと、
を備えた希薄予混合型燃焼装置の制御方法。
【請求項５】
請求項４において、前記圧縮機の圧力比と空気流量の関係を示すコンプレッサマップを使用して前記予混合バーナ空気流量を求める希薄予混合型燃焼装置の制御方法。
【請求項６】
請求項５において、前記コンプレッサマップから前記圧縮機の回転速度および圧力比と可変静翼角度とに基づき圧縮機空気量を求め、この圧縮機空気量と前記圧縮空気の一部を外部に放出する抽気弁の開度とに基づき前記予混合バーナ空気流量を求める希薄予混合型燃焼装置の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−１５１４４１（Ｐ２００８−１５１４４１Ａ）
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３４１０８２（Ｐ２００６−３４１０８２）
【出願日】平成１８年１２月１９日（２００６．１２．１９）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月１９日（２００６．１２．１９）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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