２軸式ガスタービンと、２軸式ガスタービン用の燃焼器の予混合燃焼開始方法
【課題】失火などの問題を発生することなく予混合燃焼を開始できる２軸式ガスタービンと、燃焼器の予混合燃焼開始方法を提供することを課題とする。
【解決手段】個別に予混合燃焼を開始できる燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４に区分される構成の予混合バーナ８２を備える燃焼器８と、燃焼器８を制御するガスジェネレータ制御装置１０を含んで構成される２軸式ガスタービンとする。そして、燃焼器８の予混合燃焼開始時に、ガスジェネレータ制御装置１０は燃空比に基づいて、予混合燃焼を開始する予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４を選択するとともに、選択した燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４ごとに予混合燃焼を開始し、さらに、燃空比の増加に伴って、予混合燃焼する燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４を増やすことを特徴とする燃焼器の予混合燃焼開始方法とする。
【解決手段】個別に予混合燃焼を開始できる燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４に区分される構成の予混合バーナ８２を備える燃焼器８と、燃焼器８を制御するガスジェネレータ制御装置１０を含んで構成される２軸式ガスタービンとする。そして、燃焼器８の予混合燃焼開始時に、ガスジェネレータ制御装置１０は燃空比に基づいて、予混合燃焼を開始する予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４を選択するとともに、選択した燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４ごとに予混合燃焼を開始し、さらに、燃空比の増加に伴って、予混合燃焼する燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４を増やすことを特徴とする燃焼器の予混合燃焼開始方法とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２軸式ガスタービンと、２軸式ガスタービンに備わる燃焼器の予混合燃焼開始方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な２軸式ガスタービンは、圧縮機、燃焼器、及び高圧タービンを含んで構成されるガスジェネレータを備えるとともに、負荷機器に接続される低圧タービン（パワータービン）を備え、ガスジェネレータの回転軸（ガスジェネレータ軸）が、低圧タービンの回転軸と分離するように構成されている。
【０００３】
ガスジェネレータでは、圧縮機が大気を圧縮して圧縮空気を生成し、燃焼器で燃料と圧縮空気を混合燃焼して燃焼ガスを発生させる。
燃焼器で発生された燃焼ガスは、高圧タービンを回転駆動して圧縮機の駆動力を発生させた後、低圧タービンに送られてこれを回転駆動する。
【０００４】
従来、ガスタービンの燃焼器においては、燃料と空気とが混合しながら燃焼する拡散燃焼法と、燃料と空気とを予め混合して燃焼する予混合燃焼法を併用している。そして、負荷が「０」の状態から負荷がある程度大きくなるまでは拡散燃焼し、負荷がある程度大きくなった時点で予混合燃焼を開始することで、燃焼器の火炎を安定させるとともに窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制している。
【０００５】
また、拡散燃焼用のバーナの周囲に予混合燃焼用のバーナを配置して、さらに、予混合燃焼用のバーナを円周方向の複数の領域に区分し、区分された領域ごとに予混合燃焼を開始できる燃焼器が、例えば特許文献１に開示されている。
【０００６】
特許文献１に開示される燃焼器は、負荷が「０」のときから負荷がある程度大きくなるまで拡散燃焼して安定な火炎を得るとともに、負荷の上昇に伴って増加する燃料流量に応じて予混合燃焼を開始する。予混合燃焼の開始に際しては、燃料流量に応じて予混合燃焼する領域を選択し、選択した領域ごとに予混合燃焼を開始する。そして燃料流量の増加に伴って、予混合燃焼する領域を増やしていくことでＮＯｘの発生を好適に抑制している。
すなわち、燃焼器の予混合燃焼開始時には、燃料流量の増加に対応して、予混合燃焼する領域を選択して増やしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−２８０２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、２軸式ガスタービンでは、負荷の大きさによってガスジェネレータ軸の回転速度が変化し、さらに、ガスジェネレータ軸の回転速度の変化に応じて圧縮機の空気取り込み口の開度を変化させ、燃焼器の空気流量が変化するように運転される。したがって、燃焼器の予混合燃焼開始に際し、燃料流量に応じて予混合燃焼を開始する領域を選択すると、空気流量をＡ、燃料流量をＦとしたときの燃空比（Ｆ／Ａ）が、空気流量Ａの変化に伴って変化した場合に、選択された領域で好適に予混合燃焼が開始されず失火などの問題が発生する虞がある。
【０００９】
そこで本発明は、失火などの問題に対処して予混合燃焼を開始できる２軸式ガスタービンと、燃焼器の予混合燃焼開始方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため、本発明は、個別に予混合燃焼を開始できる領域に区分される構成の予混合燃焼用のバーナを備え、予混合燃焼開始の際には、燃空比（Ｆ／Ａ）に基づいて、予混合燃焼を開始する領域を選択する燃焼器を備える２軸式ガスタービンと、燃焼器の予混合燃焼開始方法とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、失火などの問題に対処して予混合燃焼を開始できる２軸式ガスタービンと、燃焼器の予混合燃焼開始方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】２軸式ガスタービンの構成を示す模式図である。
【図２】（ａ）は、２軸式ガスタービンの負荷の大きさと燃料流量の関係を示すグラフ、（ｂ）は、燃料流量と大気温度の関係を示すグラフである。
【図３】（ａ）は、２軸式ガスタービンの負荷の大きさと空気流量の関係を示すグラフ、（ｂ）は、空気流量と大気温度の関係を示すグラフである。
【図４】燃焼器の概略構成図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は図４の（ａ）を正面の側から見た正面図である。
【図５】負荷と変更点の関係の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。
なお、図２の（ａ）の横軸は負荷Ｌ、縦軸は燃料流量Ｆを示し、（ｂ）の横軸は大気温度Ｔ、縦軸は、燃料流量Ｆを示す。
また、図３の（ａ）の横軸は負荷Ｌ、縦軸は空気流量Ａを示し、（ｂ）の横軸は大気温度Ｔ、縦軸は、空気流量Ａを示す。
【００１４】
図１に示すように、２軸式ガスタービン１は、主にガスジェネレータ２と出力タービン３とを含んで構成される。
出力タービン３は、低圧タービン４の出力タービン軸６に負荷機器５が接続されて構成される。負荷機器５は、例えば発電機であり、負荷の大きさ（以下、負荷Ｌと称する）を含んだ負荷の状態を示す負荷状態信号Ｌｓを出力する。
【００１５】
ガスジェネレータ２は、主に圧縮機７、燃焼器８、高圧タービン９、及びガスジェネレータ制御装置（制御装置）１０を含んで構成される。
圧縮機７は、大気から取り込む空気を圧縮して圧縮空気１６を生成する。また、圧縮機７の空気取り込み側には、ＩＧＶ（Inlet Guide Vane：入口案内羽）１１が備わる。
ＩＧＶ１１は、ＩＧＶ駆動装置１２によって駆動され、圧縮機７の空気取り込み口７ａの開度を変える機能を有する。この構成によって、ＩＧＶ１１を駆動して圧縮機７の空気取り込み量を変えることができる。
【００１６】
燃焼器８は、燃料供給源１３から燃料制御弁１４を経由して供給される燃料１５と、圧縮機７で生成される圧縮空気１６を混合燃焼して燃焼ガス１７を発生させる。燃焼器８の詳細は後記する。
【００１７】
高圧タービン９は、燃焼器８で生成される燃焼ガス１７で、ロータであるガスジェネレータ軸１８を回転駆動し、その出力を圧縮機７に伝達する。
また、高圧タービン９のガスジェネレータ軸１８を回転駆動して減圧された燃焼ガス１７は、出力タービン３の低圧タービン４に導入されて、出力タービン軸６を回転駆動する。
【００１８】
回転速度検出器２１は、ガスジェネレータ軸１８の回転速度ωを検出して、回転速度信号ωｓに変換して出力し、ガスジェネレータ制御装置１０に入力する。
ガスジェネレータ制御装置１０は、入力される回転速度信号ωｓによってガスジェネレータ軸１８の回転速度ωを算出できる。
大気温度検出器２３は、圧縮機７の空気取り込み口７ａに備わってガスジェネレータ制御装置１０と接続され、圧縮機７に取り込まれる大気温度Ｔを検出する。そして、検出した大気温度Ｔを温度信号Ｔｓに変換して出力し、ガスジェネレータ制御装置１０に入力する。ガスジェネレータ制御装置１０は、入力される温度信号Ｔｓによって大気温度Ｔを算出できる。
【００１９】
ガスジェネレータ制御装置１０は、燃料制御部１０ａ、ＩＧＶ開度制御部１０ｂ、及び切替制御部１０ｃを含んで構成される。
燃料制御部１０ａは、負荷機器５から入力される負荷状態信号Ｌｓと、大気温度検出器２３から入力される温度信号Ｔｓに基づいて、燃焼器８における燃料１５の好適な流量（燃料流量Ｆ）を算出し、燃焼器８における燃料１５の流量が、算出した燃料流量Ｆになるように燃料制御弁１４の開度を制御する。
【００２０】
前記したように、負荷機器５から入力される負荷状態信号Ｌｓは、例えば負荷の大きさ（負荷Ｌ）を含んだ負荷の状態を示す信号であり、ガスジェネレータ制御装置１０は、負荷機器５から入力される負荷状態信号Ｌｓによって負荷Ｌを算出することができる。
【００２１】
２軸式ガスタービン１においては、燃焼器８における燃料流量Ｆが負荷Ｌに対応して調節される。
負荷Ｌに対応した好適な燃料流量Ｆは、予め実験等で求めておけばよい。
【００２２】
例えば、２軸式ガスタービン１における負荷Ｌと燃料流量Ｆの好適な関係が、図２の（ａ）に示すように、負荷Ｌの上昇に伴って燃料流量Ｆが増加する特性を有する場合、ガスジェネレータ制御装置１０の燃料制御部１０ａは、負荷機器５から入力される負荷状態信号Ｌｓによって負荷Ｌを算出する。そして、図２の（ａ）に示すグラフを参照して、算出した負荷Ｌに対応する燃料流量Ｆを算出する。
【００２３】
また、負荷Ｌに対応した好適な燃料流量Ｆは、大気温度Ｔに応じて変化する。具体的に、図２の（ｂ）に示すように、好適な燃料流量Ｆは、大気温度Ｔの上昇に伴って減少する。したがって、負荷Ｌと燃料流量Ｆの関係は、図２の（ａ）に破線で示すように、大気温度Ｔに応じた幅ＦＴを持って構成される。
そして、ガスジェネレータ制御装置１０の燃料制御部１０ａ（図１参照）は、大気温度検出器２３から入力される温度信号Ｔｓによって大気温度Ｔを算出し、算出した大気温度Ｔに基づいて図２の（ａ）に示すグラフを参照して燃料流量Ｆを算出する。
【００２４】
さらに、ガスジェネレータ制御装置１０の燃料制御部１０ａ（図１参照）は、算出した燃料流量Ｆに対応する燃料制御弁１４（図１参照）の開度を算出するとともに、燃料制御弁１４の開度が算出した開度になるように、燃料制御弁１４を駆動する。
【００２５】
図２の（ａ）、（ｂ）に示される、負荷Ｌと大気温度Ｔに対応する燃料流量Ｆは、負荷Ｌと大気温度Ｔと燃料流量Ｆの好適な関係を実験等で設定し、例えばマップデータ（第１のマップデータ）として図示しない記憶部に記憶しておけばよい。
ガスジェネレータ制御装置１０の燃料制御部１０ａ（図１参照）は、負荷機器５（図１参照）から入力される負荷状態信号Ｌｓによって算出する負荷Ｌと、大気温度検出器２３（図１参照）から入力される温度信号Ｔｓによって算出する大気温度Ｔに基づいて第１のマップデータを参照し、負荷Ｌと大気温度Ｔに対応した燃料流量Ｆを算出できる。
【００２６】
図１に戻って、ガスジェネレータ制御装置１０のＩＧＶ開度制御部１０ｂは、負荷機器５から入力される負荷状態信号Ｌｓによって算出する負荷Ｌ、大気温度検出器２３から入力される温度信号Ｔｓによって算出する大気温度Ｔ、及び回転速度検出器２１から入力される回転速度信号ωｓによって算出するガスジェネレータ軸１８の回転速度ωに基づいて、燃焼器８における好適な圧縮空気１６の流量（空気流量Ａ）を算出する。そして、算出した空気流量Ａに対応する、圧縮機７の空気取り込み量を算出し、さらに、算出した空気取り込み量の空気を圧縮機７が取り込むための空気取り込み口７ａの開度を算出する。
【００２７】
２軸式ガスタービン１においては、燃焼器８を流れる圧縮空気１６の流量（空気流量Ａ）が負荷Ｌに対応して調節される。
負荷Ｌに対応した好適な空気流量Ａは、予め実験等で求めておけばよい。
【００２８】
例えば、２軸式ガスタービン１における負荷Ｌと空気流量Ａの好適な関係が、図３の（ａ）に示すように、負荷Ｌの上昇に伴って空気流量Ａが増加する特性を有する場合、ガスジェネレータ制御装置１０のＩＧＶ開度制御部１０ｂは、負荷機器５から入力される負荷状態信号Ｌｓによって負荷Ｌを算出する。そして、図３の（ａ）に示すグラフを参照して、算出した負荷Ｌに対応する空気流量Ａを算出する。
【００２９】
また、負荷Ｌに対応した好適な空気流量Ａは、大気温度Ｔに応じて変化する。具体的に、図３の（ｂ）に示すように、好適な空気流量Ａは、大気温度Ｔの上昇に伴って減少する。したがって、負荷Ｌと空気流量Ａの関係は、図３の（ａ）に破線で示すように、大気温度Ｔに応じた幅ＡＴを持って構成される。
そして、ガスジェネレータ制御装置１０のＩＧＶ開度制御部１０ｂは、大気温度検出器２３から入力される温度信号Ｔｓによって大気温度Ｔを算出し、算出した大気温度Ｔに基づいて図３の（ａ）に示すグラフを参照して空気流量Ａを算出する。
【００３０】
さらに、好適な空気流量Ａは、ガスジェネレータ軸１８の回転速度ωに応じて変化する。そこで、図３の（ａ）に示す、負荷Ｌと大気温度Ｔに応じた好適な空気流量Ａを示すグラフを、ガスジェネレータ軸１８の回転速度ωに対応させて設定する。
そして、ガスジェネレータ制御装置１０のＩＧＶ開度制御部１０ｂは、回転速度検出器２１から入力される回転速度信号ωｓによってガスジェネレータ軸１８の回転速度ωを算出し、算出した回転速度ωに応じて図３の（ａ）に示すグラフを参照して空気流量Ａを算出する。
【００３１】
そして、ガスジェネレータ制御装置１０のＩＧＶ開度制御部１０ｂは算出した空気流量Ａに対応する空気取り込み口７ａの開度を算出するとともに、空気取り込み口７ａの開度が算出した開度になるように、ＩＧＶ駆動装置１２を介してＩＧＶ１１を駆動する。
【００３２】
図３の（ａ）、（ｂ）に示される、負荷Ｌと大気温度Ｔと回転速度ωに対応する空気流量Ａは、負荷Ｌと大気温度Ｔとガスジェネレータ軸１８の回転速度ωと空気流量Ａの好適な関係を実験等で設定し、例えばマップデータ（第２のマップデータ）として図示しない記憶部に記憶しておけばよい。
ガスジェネレータ制御装置１０のＩＧＶ開度制御部１０ｂは、負荷機器５から入力される負荷状態信号Ｌｓによって算出する負荷Ｌと、大気温度検出器２３から入力される温度信号Ｔｓによって算出する大気温度Ｔと、回転速度検出器２１から入力される回転速度信号ωｓによって算出するガスジェネレータ軸１８の回転速度ωに基づいて第２のマップデータを参照し、負荷Ｌと大気温度Ｔとガスジェネレータ軸１８の回転速度ωに対応した空気流量Ａを算出できる。
【００３３】
以上のように、図１に示す２軸式ガスタービン１は、負荷Ｌと大気温度Ｔとに応じて燃焼器８の燃料流量Ｆを変化させることができるとともに、負荷Ｌと大気温度Ｔとガスジェネレータ軸１８の回転速度ωに応じて燃焼器８の空気流量Ａを変化させることができる。
【００３４】
なお、大気温度Ｔの上昇に伴う減少率は、空気流量Ａより燃料流量Ｆで大きく、空気流量Ａと燃料流量Ｆとの比である燃空比（Ｆ／Ａ）は、大気温度Ｔの上昇に伴って減少する特性となる。
【００３５】
図１に戻って、ガスジェネレータ制御装置１０の切替制御部１０ｃは、燃料制御部１０ａが算出する燃料流量Ｆと、ＩＧＶ開度制御部１０ｂが算出する空気流量Ａに基づいて燃空比（Ｆ／Ａ）を算出し、算出した燃空比（Ｆ／Ａ）に基づいて燃焼器８の燃焼を制御する。
【００３６】
次に、燃焼器８（図１参照）の構成について説明する。
図４の（ａ）、（ｂ）に示すように、燃焼器８は一方が閉塞した有底の円筒形状を呈する燃焼器カバー８０内に形成され、中央部には拡散燃焼用のバーナである拡散パイロットバーナ８１が備わる。
さらに、拡散パイロットバーナ８１の外周を取り囲むように、予混合燃焼用のバーナである予混合バーナ８２が備わる。予混合バーナ８２は拡散パイロットバーナ８１の全周に亘って備わり、複数の予混合バーナ用燃料ノズル８２ａ、及び保炎器８３を備えて構成される。
また、燃焼器カバー８０の内周に沿うように燃焼器ライナ８４ａが備わって燃焼室８４を形成する。
燃焼器８は、燃焼室８４が形成される側を正面とする。
【００３７】
圧縮機７から流入する圧縮空気１６は、燃焼器ライナ８４ａと燃焼器カバー８０の間を通って流通し、拡散パイロットバーナ用空気１６ｂと予混合バーナ用空気１６ａとに分かれて、それぞれ拡散パイロットバーナ８１と予混合バーナ８２とに供給される。
【００３８】
燃料供給源１３から燃料制御弁１４を経由して燃焼器８に供給される燃料１５は、主に拡散パイロットバーナ８１に燃料１５を供給する拡散燃料系８５と、予混合バーナ８２に燃料１５を供給する予混合燃料系８６とに分流し、それぞれ拡散パイロットバーナ８１と予混合バーナ８２に供給される。
【００３９】
拡散燃料系８５には、燃料１５の流量を調節するための流量調節弁８５ａが備わる。流量調節弁８５ａは、ガスジェネレータ制御装置１０の切替制御部１０ｃと接続され、切替制御部１０ｃからの制御信号によって開度が調節される。
また、予混合燃料系８６には、燃料１５の流量を調節するための流量調節弁８７が備わる。流量調節弁８７は、ガスジェネレータ制御装置１０の切替制御部１０ｃと接続され、切替制御部１０ｃからの制御信号によって開度が調節される。
【００４０】
本実施形態に係る燃焼器８の予混合バーナ８２は、図４の（ｂ）に示すように正面の側（燃焼室８４の側）から見たときに、拡散パイロットバーナ８１の外周に沿って、上方から時計回りで略等分に円周方向に、４つの燃焼領域８２ｆ１、８２ｆ３、８２ｆ４、８２ｆ２に区分される。
この燃焼領域８２ｆ１、８２ｆ３、８２ｆ４、８２ｆ２が、個別に予混合燃焼できる領域になる。
そして、図４の（ａ）に示す予混合燃料系８６は、燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４のそれぞれに、個別に燃料１５を供給可能なように４系統からなり、燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４に対応して、予混合燃料系８６ｆ１〜８６ｆ４が備わる。
さらに、予混合燃料系８６ｆ１〜８６ｆ４には、それぞれ流量調節弁８７ｆ１〜８７ｆ４が備わる（図４の（ａ）には、予混合燃料系８６ｆ１，８６ｆ４と流量調節弁８７ｆ１，８７ｆ４が図示されている）。
【００４１】
このように構成される燃焼器８は、拡散パイロットバーナ８１に燃料１５を供給すると、拡散パイロットバーナ８１は、燃焼室８４で拡散パイロットバーナ用空気１６ｂと燃料１５を混合して拡散燃焼する。
また、予混合バーナ用燃料ノズル８２ａを介して予混合バーナ８２に燃料１５を供給すると、燃料１５は予混合バーナ８２内部で予混合バーナ用空気１６ａと混合（予混合）して燃焼室８４で予混合燃焼する。
すなわち、本実施形態に係る燃焼器８は、拡散パイロットバーナ８１による拡散燃焼と予混合バーナ８２による予混合燃焼を並行して運転することができる。
【００４２】
さらに、予混合バーナ８２は、燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４に個別に燃料１５を供給することができ、燃料１５が供給された燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４で予混合燃焼することができる。
すなわち、切替制御部１０ｃが、燃料１５を供給する燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４を選択することで、予混合燃焼する燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４を選択できる。
例えば、燃焼領域８２ｆ１で予混合燃焼する場合、切替制御部１０ｃは流量調節弁８７ｆ１を開いて燃焼領域８２ｆ１に燃料１５を供給すればよいし、燃焼領域８２ｆ１と燃焼領域８２ｆ２で予混合燃焼する場合、切替制御部１０ｃは流量調節弁８７ｆ１，８７ｆ２を開いて燃焼領域８２ｆ１，８２ｆ２に燃料１５を供給すればよい。
【００４３】
この構成によって、燃焼器８は、例えば予混合燃焼開始時に、燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４のそれぞれで個別に予混合燃焼を開始できる。
そして、図１に示す２軸式ガスタービン１に備わる燃焼器８の予混合燃焼開始の際、ガスジェネレータ制御装置１０は、負荷Ｌが「０」のときから負荷Ｌがある程度上昇するまで、燃焼器８の拡散パイロットバーナ８１で拡散燃焼して安定した火炎を発生させる。
そして、燃焼器８の拡散燃焼によって負荷Ｌがある程度上昇した時点で、ガスジェネレータ制御装置１０は、燃焼器８の予混合バーナ８２で予混合燃焼を開始して、ＮＯｘの発生を抑える。
【００４４】
さらに、予混合バーナ８２が複数、例えば図４の（ｂ）に示すように４つの燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４に区分される場合、ガスジェネレータ制御装置１０は、２軸式ガスタービン１の負荷Ｌに応じて予混合燃焼を開始する予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４を選択するとともに選択した燃焼領域で予混合燃焼を開始する。そして、ガスジェネレータ制御装置１０は、負荷Ｌの増加に対応して、予混合燃焼する燃焼領域を増やすように燃焼器８の予混合燃焼開始を制御し、より好適にＮＯｘの発生を抑える。
以下、燃焼器８の予混合燃焼開始時に拡散燃焼を開始すること、及び予混合燃焼する燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４を増やすことを「動作状態の変更」と称し、燃焼器８の動作状態を変更する点を「変更点」と称する。
【００４５】
例えば、１軸式のガスタービンにおいては、負荷の大きさによらず回転軸の回転速度が一定であることから燃焼器の空気流量Ａを一定にできる。したがって、燃焼器を制御する制御装置は、負荷Ｌの変化に対応して変化する燃焼器の燃料流量Ｆに基づいて燃焼器の動作状態を変更することで、ＮＯｘの発生を好適に抑制可能な運転が可能になる。
【００４６】
しかしながら、前記したように、図１に示す２軸式ガスタービン１は、負荷Ｌに応じてガスジェネレータ軸１８の回転速度ωが変化するのに伴って、燃焼器８の空気流量Ａを変化させることから、ガスジェネレータ制御装置１０が、燃焼器８の燃料流量Ｆに基づいて動作状態を変更すると、失火などの問題が発生する場合がある。
【００４７】
そこで、本実施形態に係る２軸式ガスタービン１は、燃焼器８の動作状態を変更するのに好適な燃空比（Ｆ／Ａ）を予め設定しておくとともに、ガスジェネレータ制御装置１０は、負荷Ｌの変化に対応して変化する燃空比（Ｆ／Ａ）に基づいて燃焼器８の動作状態を変更する構成とした。
【００４８】
図５に示すように、負荷が「０」のときに変更点Ｐ１を設定する。負荷が「０」の状態は、例えば、低圧タービン４（図１参照）が定格回転速度の約３０％で回転している状態であり、変更点Ｐ１は、図４の（ａ）に示すガスジェネレータ制御装置１０の切替制御部１０ｃが、燃焼器８の拡散パイロットバーナ８１で拡散燃焼を開始する変更点である。
すなわち、切替制御部１０ｃが流量調節弁８５ａを開いて、拡散パイロットバーナ８１に燃料１５を供給する点である。
なお、変更点Ｐ１において、燃料制御弁１４は、図２の（ａ）に示すグラフに基づいて、負荷が「０」のときに設定される燃料流量Ｆとなる開度で開かれている。
【００４９】
燃焼器８（図１参照）で拡散燃焼が開始すると負荷Ｌが上昇し、ガスジェネレータ制御装置１０の燃料制御部１０ａ（図１参照）は、負荷Ｌと大気温度Ｔに基づいて図２の（ａ）に示すグラフを参照し、燃料流量Ｆを算出する。
また、ＩＧＶ開度制御部１０ｂ（図１参照）は、負荷Ｌと大気温度Ｔとガスジェネレータ軸１８の回転速度ωに基づいて図３の（ａ）に示すグラフを参照し、空気流量Ａを算出する。
そして、ガスジェネレータ制御装置１０の切替制御部１０ｃ（図１参照）は、燃料流量Ｆと空気流量Ａとから、燃空比（Ｆ／Ａ）を算出する。
【００５０】
負荷Ｌの上昇に伴って燃空比（Ｆ／Ａ）が増加し、予め設定してある燃空比ＦＡ１に達すると、切替制御部１０ｃ（図１参照）は、予混合燃料系８６ｆ１に備わる流量調節弁８７ｆ１（図４の（ａ）参照）を開いて予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ１（図４の（ｂ）参照）に燃料１５（図１参照）を供給する。
そして、燃料１５が供給された予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ１は、予混合燃焼を開始する。
【００５１】
燃空比ＦＡ１は、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ１（図４の（ｂ）参照）で予混合燃焼を開始する変更点Ｐ２１の燃空比（Ｆ／Ａ）である。
燃空比ＦＡ１は、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ１で予混合燃焼を開始するのに好適な燃空比（Ｆ／Ａ）として、予め実験等で設定しておくことができる。
【００５２】
予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ１（図４の（ｂ）参照）で予混合燃焼が開始すると、負荷Ｌはさらに上昇する。そして、ガスジェネレータ制御装置１０の燃料制御部１０ａ（図１参照）とＩＧＶ開度制御部１０ｂ（図１参照）は、それぞれ負荷Ｌと大気温度Ｔとガスジェネレータ軸１８の回転速度ωに基づいて燃料流量Ｆと空気流量Ａを算出し、ガスジェネレータ制御装置１０の切替制御部１０ｃ（図１参照）は燃空比（Ｆ／Ａ）を算出する。
【００５３】
燃空比（Ｆ／Ａ）が増加して、予め設定してある燃空比ＦＡ２に達すると、切替制御部１０ｃ（図１参照）は、予混合燃料系８６ｆ２に備わる流量調節弁８７ｆ２を開いて予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ２（図４の（ｂ）参照）に燃料１５（図１参照）を供給する。
そして、燃料１５が供給された予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ２は、予混合燃焼を開始する。
【００５４】
燃空比ＦＡ２は、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ２（図４の（ｂ）参照）で予混合燃焼を開始する変更点Ｐ２２の燃空比（Ｆ／Ａ）である。
燃空比ＦＡ２は、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ２で予混合燃焼を開始するのに好適な燃空比（Ｆ／Ａ）として、予め実験等で設定しておくことができる。
【００５５】
同様に燃空比（Ｆ／Ａ）が、予め設定してある燃空比ＦＡ３に達すると、切替制御部１０ｃ（図１参照）は、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ３（図４の（ｂ）参照）に燃料１５（図１参照）を供給し、燃空比（Ｆ／Ａ）が、予め設定してある燃空比ＦＡ４に達すると、切替制御部１０ｃは、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ４（図４の（ｂ）参照）に燃料１５を供給する。
そして、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ３と燃焼領域８２ｆ４は順次予混合燃焼を開始する。
【００５６】
燃空比ＦＡ３は、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ３（図４の（ｂ）参照）で予混合燃焼を開始する変更点Ｐ２３の燃空比（Ｆ／Ａ）であり、燃焼領域８２ｆ３で予混合燃焼を開始するのに好適な燃空比（Ｆ／Ａ）として、予め実験等で設定しておくことができる。
同様に、燃空比ＦＡ４は、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ４（図４の（ｂ）参照）で予混合燃焼を開始する変更点Ｐ２４の燃空比（Ｆ／Ａ）であり、燃焼領域８２ｆ４で予混合燃焼を開始するのに好適な燃空比（Ｆ／Ａ）として、予め実験等で設定しておくことができる。
【００５７】
そして、予混合バーナ８２の全領域（燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４の全て）で予混合燃焼が開始されると、低圧タービン４の出力タービン軸６（図１参照）の回転速度が定格回転速度に達し、２軸式ガスタービン１（図１参照）を定格運転することができる。
【００５８】
このように、燃焼器８（図１参照）の動作状態を変更する変更点Ｐ２１〜Ｐ２４を、燃空比（Ｆ／Ａ）に基づいて設定すると、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４（図４の（ｂ）参照）は、それぞれが好適な燃空比（Ｆ／Ａ）の状態で予混合燃焼を開始することができ、例えば失火などの問題に対処できる。
【００５９】
例えば、負荷Ｌと燃空比（Ｆ／Ａ）の関係が、図５に破線で示すような特性である場合、変更点Ｐ２１〜Ｐ２４は、それぞれの燃空比ＦＡ１〜ＦＡ４を変えることなく破線で示される特性上の点に移行する。
換言すると、負荷Ｌの上昇に伴って、燃空比（Ｆ／Ａ）が図５に破線で示すように増加する場合であっても、ガスジェネレータ制御装置１０（図１参照）は、燃空比ＦＡ１〜ＦＡ４のときに燃焼器８（図１参照）の動作状態を変更することができる。
【００６０】
したがって、負荷Ｌと燃空比（Ｆ／Ａ）がどのような特性で変化する場合であっても、ガスジェネレータ制御装置１０（図１参照）は、燃空比ＦＡ１〜ＦＡ４のときに燃焼器８（図１参照）の動作状態を変更することができる。前記したように、燃空比ＦＡ１〜ＦＡ４は、図４の（ｂ）に示す、燃焼器８の燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４が、予混合燃焼を開始するのに好適な燃空比であり、燃焼器８の燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４が予混合燃焼を開始するときの失火などの問題の発生を抑制できる。
【００６１】
なお、本実施形態に係る予混合バーナ８２を、図４の（ｂ）に示すように正面の側（燃焼室８４の側）から見たときに、拡散パイロットバーナ８１の外周に沿って、上方から時計回りに、４つの燃焼領域８２ｆ１、８２ｆ３、８２ｆ４、８２ｆ２に区分し、上方の燃焼領域８２ｆ１から予混合燃焼を開始することで、高圧タービン９のガス温度分布の偏差を小さくできることがわかっている。
【００６２】
また、燃焼領域８２ｆ１、８２ｆ２、８２ｆ３、８２ｆ４の順に予混合燃焼を開始すると、一酸化炭素（ＣＯ）の発生を好適に抑制できる。
互いに隣接する燃焼領域の一方で予混合燃焼する場合、予混合燃焼する燃焼領域と予混合燃焼しない燃焼領域の境界部分の不燃焼部分からＣＯが発生することがわかっている。そこで、燃料領域８２ｆ１の次に、隣接する燃料領域８２ｆ２で予混合燃焼を開始して、予混合燃焼する燃焼領域と予混合燃焼しない燃焼領域の境界部分が少なくなるように構成する。
【００６３】
以上のように、本実施形態に係る２軸式ガスタービン１（図１参照）においては、燃空比（Ｆ／Ａ）に基づいて、燃焼器８（図１参照）の動作状態を変更する変更点Ｐ２１〜Ｐ２４（図５参照）を設定し、ガスジェネレータ制御装置１０（図１参照）は、変更点Ｐ２１〜Ｐ２４で燃焼器８の動作状態を変更することを特徴とする。
すなわち、ガスジェネレータ制御装置１０の切替制御部１０ｃ（図１参照）は、燃空比（Ｆ／Ａ）に基づいて、燃焼器８の動作状態を変更する。
【００６４】
そして、変更点Ｐ２１〜Ｐ２４（図５参照）の燃空比（Ｆ／Ａ）が、燃焼器８の動作状態を変更するのに好適な燃空比（Ｆ／Ａ）となるように構成することで、変更点Ｐ２１〜Ｐ２４における失火の発生など、燃焼器８の動作状態の変更による問題の発生を好適に抑制できるという優れた効果を奏する。
【符号の説明】
【００６５】
１ ２軸式ガスタービン
８ 燃焼器
１０ ガスジェネレータ制御装置（制御装置）
８１ 拡散パイロットバーナ（拡散燃焼用のバーナ）
８２ 予混合バーナ（予混合燃焼用のバーナ）
８２ｆ１，８２ｆ２，８２ｆ３，８２ｆ４ 燃焼領域（領域）
Ａ 空気流量
Ｆ 燃料流量
Ｆ／Ａ 燃空比
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２軸式ガスタービンと、２軸式ガスタービンに備わる燃焼器の予混合燃焼開始方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な２軸式ガスタービンは、圧縮機、燃焼器、及び高圧タービンを含んで構成されるガスジェネレータを備えるとともに、負荷機器に接続される低圧タービン（パワータービン）を備え、ガスジェネレータの回転軸（ガスジェネレータ軸）が、低圧タービンの回転軸と分離するように構成されている。
【０００３】
ガスジェネレータでは、圧縮機が大気を圧縮して圧縮空気を生成し、燃焼器で燃料と圧縮空気を混合燃焼して燃焼ガスを発生させる。
燃焼器で発生された燃焼ガスは、高圧タービンを回転駆動して圧縮機の駆動力を発生させた後、低圧タービンに送られてこれを回転駆動する。
【０００４】
従来、ガスタービンの燃焼器においては、燃料と空気とが混合しながら燃焼する拡散燃焼法と、燃料と空気とを予め混合して燃焼する予混合燃焼法を併用している。そして、負荷が「０」の状態から負荷がある程度大きくなるまでは拡散燃焼し、負荷がある程度大きくなった時点で予混合燃焼を開始することで、燃焼器の火炎を安定させるとともに窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制している。
【０００５】
また、拡散燃焼用のバーナの周囲に予混合燃焼用のバーナを配置して、さらに、予混合燃焼用のバーナを円周方向の複数の領域に区分し、区分された領域ごとに予混合燃焼を開始できる燃焼器が、例えば特許文献１に開示されている。
【０００６】
特許文献１に開示される燃焼器は、負荷が「０」のときから負荷がある程度大きくなるまで拡散燃焼して安定な火炎を得るとともに、負荷の上昇に伴って増加する燃料流量に応じて予混合燃焼を開始する。予混合燃焼の開始に際しては、燃料流量に応じて予混合燃焼する領域を選択し、選択した領域ごとに予混合燃焼を開始する。そして燃料流量の増加に伴って、予混合燃焼する領域を増やしていくことでＮＯｘの発生を好適に抑制している。
すなわち、燃焼器の予混合燃焼開始時には、燃料流量の増加に対応して、予混合燃焼する領域を選択して増やしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−２８０２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、２軸式ガスタービンでは、負荷の大きさによってガスジェネレータ軸の回転速度が変化し、さらに、ガスジェネレータ軸の回転速度の変化に応じて圧縮機の空気取り込み口の開度を変化させ、燃焼器の空気流量が変化するように運転される。したがって、燃焼器の予混合燃焼開始に際し、燃料流量に応じて予混合燃焼を開始する領域を選択すると、空気流量をＡ、燃料流量をＦとしたときの燃空比（Ｆ／Ａ）が、空気流量Ａの変化に伴って変化した場合に、選択された領域で好適に予混合燃焼が開始されず失火などの問題が発生する虞がある。
【０００９】
そこで本発明は、失火などの問題に対処して予混合燃焼を開始できる２軸式ガスタービンと、燃焼器の予混合燃焼開始方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため、本発明は、個別に予混合燃焼を開始できる領域に区分される構成の予混合燃焼用のバーナを備え、予混合燃焼開始の際には、燃空比（Ｆ／Ａ）に基づいて、予混合燃焼を開始する領域を選択する燃焼器を備える２軸式ガスタービンと、燃焼器の予混合燃焼開始方法とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、失火などの問題に対処して予混合燃焼を開始できる２軸式ガスタービンと、燃焼器の予混合燃焼開始方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】２軸式ガスタービンの構成を示す模式図である。
【図２】（ａ）は、２軸式ガスタービンの負荷の大きさと燃料流量の関係を示すグラフ、（ｂ）は、燃料流量と大気温度の関係を示すグラフである。
【図３】（ａ）は、２軸式ガスタービンの負荷の大きさと空気流量の関係を示すグラフ、（ｂ）は、空気流量と大気温度の関係を示すグラフである。
【図４】燃焼器の概略構成図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は図４の（ａ）を正面の側から見た正面図である。
【図５】負荷と変更点の関係の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。
なお、図２の（ａ）の横軸は負荷Ｌ、縦軸は燃料流量Ｆを示し、（ｂ）の横軸は大気温度Ｔ、縦軸は、燃料流量Ｆを示す。
また、図３の（ａ）の横軸は負荷Ｌ、縦軸は空気流量Ａを示し、（ｂ）の横軸は大気温度Ｔ、縦軸は、空気流量Ａを示す。
【００１４】
図１に示すように、２軸式ガスタービン１は、主にガスジェネレータ２と出力タービン３とを含んで構成される。
出力タービン３は、低圧タービン４の出力タービン軸６に負荷機器５が接続されて構成される。負荷機器５は、例えば発電機であり、負荷の大きさ（以下、負荷Ｌと称する）を含んだ負荷の状態を示す負荷状態信号Ｌｓを出力する。
【００１５】
ガスジェネレータ２は、主に圧縮機７、燃焼器８、高圧タービン９、及びガスジェネレータ制御装置（制御装置）１０を含んで構成される。
圧縮機７は、大気から取り込む空気を圧縮して圧縮空気１６を生成する。また、圧縮機７の空気取り込み側には、ＩＧＶ（Inlet Guide Vane：入口案内羽）１１が備わる。
ＩＧＶ１１は、ＩＧＶ駆動装置１２によって駆動され、圧縮機７の空気取り込み口７ａの開度を変える機能を有する。この構成によって、ＩＧＶ１１を駆動して圧縮機７の空気取り込み量を変えることができる。
【００１６】
燃焼器８は、燃料供給源１３から燃料制御弁１４を経由して供給される燃料１５と、圧縮機７で生成される圧縮空気１６を混合燃焼して燃焼ガス１７を発生させる。燃焼器８の詳細は後記する。
【００１７】
高圧タービン９は、燃焼器８で生成される燃焼ガス１７で、ロータであるガスジェネレータ軸１８を回転駆動し、その出力を圧縮機７に伝達する。
また、高圧タービン９のガスジェネレータ軸１８を回転駆動して減圧された燃焼ガス１７は、出力タービン３の低圧タービン４に導入されて、出力タービン軸６を回転駆動する。
【００１８】
回転速度検出器２１は、ガスジェネレータ軸１８の回転速度ωを検出して、回転速度信号ωｓに変換して出力し、ガスジェネレータ制御装置１０に入力する。
ガスジェネレータ制御装置１０は、入力される回転速度信号ωｓによってガスジェネレータ軸１８の回転速度ωを算出できる。
大気温度検出器２３は、圧縮機７の空気取り込み口７ａに備わってガスジェネレータ制御装置１０と接続され、圧縮機７に取り込まれる大気温度Ｔを検出する。そして、検出した大気温度Ｔを温度信号Ｔｓに変換して出力し、ガスジェネレータ制御装置１０に入力する。ガスジェネレータ制御装置１０は、入力される温度信号Ｔｓによって大気温度Ｔを算出できる。
【００１９】
ガスジェネレータ制御装置１０は、燃料制御部１０ａ、ＩＧＶ開度制御部１０ｂ、及び切替制御部１０ｃを含んで構成される。
燃料制御部１０ａは、負荷機器５から入力される負荷状態信号Ｌｓと、大気温度検出器２３から入力される温度信号Ｔｓに基づいて、燃焼器８における燃料１５の好適な流量（燃料流量Ｆ）を算出し、燃焼器８における燃料１５の流量が、算出した燃料流量Ｆになるように燃料制御弁１４の開度を制御する。
【００２０】
前記したように、負荷機器５から入力される負荷状態信号Ｌｓは、例えば負荷の大きさ（負荷Ｌ）を含んだ負荷の状態を示す信号であり、ガスジェネレータ制御装置１０は、負荷機器５から入力される負荷状態信号Ｌｓによって負荷Ｌを算出することができる。
【００２１】
２軸式ガスタービン１においては、燃焼器８における燃料流量Ｆが負荷Ｌに対応して調節される。
負荷Ｌに対応した好適な燃料流量Ｆは、予め実験等で求めておけばよい。
【００２２】
例えば、２軸式ガスタービン１における負荷Ｌと燃料流量Ｆの好適な関係が、図２の（ａ）に示すように、負荷Ｌの上昇に伴って燃料流量Ｆが増加する特性を有する場合、ガスジェネレータ制御装置１０の燃料制御部１０ａは、負荷機器５から入力される負荷状態信号Ｌｓによって負荷Ｌを算出する。そして、図２の（ａ）に示すグラフを参照して、算出した負荷Ｌに対応する燃料流量Ｆを算出する。
【００２３】
また、負荷Ｌに対応した好適な燃料流量Ｆは、大気温度Ｔに応じて変化する。具体的に、図２の（ｂ）に示すように、好適な燃料流量Ｆは、大気温度Ｔの上昇に伴って減少する。したがって、負荷Ｌと燃料流量Ｆの関係は、図２の（ａ）に破線で示すように、大気温度Ｔに応じた幅ＦＴを持って構成される。
そして、ガスジェネレータ制御装置１０の燃料制御部１０ａ（図１参照）は、大気温度検出器２３から入力される温度信号Ｔｓによって大気温度Ｔを算出し、算出した大気温度Ｔに基づいて図２の（ａ）に示すグラフを参照して燃料流量Ｆを算出する。
【００２４】
さらに、ガスジェネレータ制御装置１０の燃料制御部１０ａ（図１参照）は、算出した燃料流量Ｆに対応する燃料制御弁１４（図１参照）の開度を算出するとともに、燃料制御弁１４の開度が算出した開度になるように、燃料制御弁１４を駆動する。
【００２５】
図２の（ａ）、（ｂ）に示される、負荷Ｌと大気温度Ｔに対応する燃料流量Ｆは、負荷Ｌと大気温度Ｔと燃料流量Ｆの好適な関係を実験等で設定し、例えばマップデータ（第１のマップデータ）として図示しない記憶部に記憶しておけばよい。
ガスジェネレータ制御装置１０の燃料制御部１０ａ（図１参照）は、負荷機器５（図１参照）から入力される負荷状態信号Ｌｓによって算出する負荷Ｌと、大気温度検出器２３（図１参照）から入力される温度信号Ｔｓによって算出する大気温度Ｔに基づいて第１のマップデータを参照し、負荷Ｌと大気温度Ｔに対応した燃料流量Ｆを算出できる。
【００２６】
図１に戻って、ガスジェネレータ制御装置１０のＩＧＶ開度制御部１０ｂは、負荷機器５から入力される負荷状態信号Ｌｓによって算出する負荷Ｌ、大気温度検出器２３から入力される温度信号Ｔｓによって算出する大気温度Ｔ、及び回転速度検出器２１から入力される回転速度信号ωｓによって算出するガスジェネレータ軸１８の回転速度ωに基づいて、燃焼器８における好適な圧縮空気１６の流量（空気流量Ａ）を算出する。そして、算出した空気流量Ａに対応する、圧縮機７の空気取り込み量を算出し、さらに、算出した空気取り込み量の空気を圧縮機７が取り込むための空気取り込み口７ａの開度を算出する。
【００２７】
２軸式ガスタービン１においては、燃焼器８を流れる圧縮空気１６の流量（空気流量Ａ）が負荷Ｌに対応して調節される。
負荷Ｌに対応した好適な空気流量Ａは、予め実験等で求めておけばよい。
【００２８】
例えば、２軸式ガスタービン１における負荷Ｌと空気流量Ａの好適な関係が、図３の（ａ）に示すように、負荷Ｌの上昇に伴って空気流量Ａが増加する特性を有する場合、ガスジェネレータ制御装置１０のＩＧＶ開度制御部１０ｂは、負荷機器５から入力される負荷状態信号Ｌｓによって負荷Ｌを算出する。そして、図３の（ａ）に示すグラフを参照して、算出した負荷Ｌに対応する空気流量Ａを算出する。
【００２９】
また、負荷Ｌに対応した好適な空気流量Ａは、大気温度Ｔに応じて変化する。具体的に、図３の（ｂ）に示すように、好適な空気流量Ａは、大気温度Ｔの上昇に伴って減少する。したがって、負荷Ｌと空気流量Ａの関係は、図３の（ａ）に破線で示すように、大気温度Ｔに応じた幅ＡＴを持って構成される。
そして、ガスジェネレータ制御装置１０のＩＧＶ開度制御部１０ｂは、大気温度検出器２３から入力される温度信号Ｔｓによって大気温度Ｔを算出し、算出した大気温度Ｔに基づいて図３の（ａ）に示すグラフを参照して空気流量Ａを算出する。
【００３０】
さらに、好適な空気流量Ａは、ガスジェネレータ軸１８の回転速度ωに応じて変化する。そこで、図３の（ａ）に示す、負荷Ｌと大気温度Ｔに応じた好適な空気流量Ａを示すグラフを、ガスジェネレータ軸１８の回転速度ωに対応させて設定する。
そして、ガスジェネレータ制御装置１０のＩＧＶ開度制御部１０ｂは、回転速度検出器２１から入力される回転速度信号ωｓによってガスジェネレータ軸１８の回転速度ωを算出し、算出した回転速度ωに応じて図３の（ａ）に示すグラフを参照して空気流量Ａを算出する。
【００３１】
そして、ガスジェネレータ制御装置１０のＩＧＶ開度制御部１０ｂは算出した空気流量Ａに対応する空気取り込み口７ａの開度を算出するとともに、空気取り込み口７ａの開度が算出した開度になるように、ＩＧＶ駆動装置１２を介してＩＧＶ１１を駆動する。
【００３２】
図３の（ａ）、（ｂ）に示される、負荷Ｌと大気温度Ｔと回転速度ωに対応する空気流量Ａは、負荷Ｌと大気温度Ｔとガスジェネレータ軸１８の回転速度ωと空気流量Ａの好適な関係を実験等で設定し、例えばマップデータ（第２のマップデータ）として図示しない記憶部に記憶しておけばよい。
ガスジェネレータ制御装置１０のＩＧＶ開度制御部１０ｂは、負荷機器５から入力される負荷状態信号Ｌｓによって算出する負荷Ｌと、大気温度検出器２３から入力される温度信号Ｔｓによって算出する大気温度Ｔと、回転速度検出器２１から入力される回転速度信号ωｓによって算出するガスジェネレータ軸１８の回転速度ωに基づいて第２のマップデータを参照し、負荷Ｌと大気温度Ｔとガスジェネレータ軸１８の回転速度ωに対応した空気流量Ａを算出できる。
【００３３】
以上のように、図１に示す２軸式ガスタービン１は、負荷Ｌと大気温度Ｔとに応じて燃焼器８の燃料流量Ｆを変化させることができるとともに、負荷Ｌと大気温度Ｔとガスジェネレータ軸１８の回転速度ωに応じて燃焼器８の空気流量Ａを変化させることができる。
【００３４】
なお、大気温度Ｔの上昇に伴う減少率は、空気流量Ａより燃料流量Ｆで大きく、空気流量Ａと燃料流量Ｆとの比である燃空比（Ｆ／Ａ）は、大気温度Ｔの上昇に伴って減少する特性となる。
【００３５】
図１に戻って、ガスジェネレータ制御装置１０の切替制御部１０ｃは、燃料制御部１０ａが算出する燃料流量Ｆと、ＩＧＶ開度制御部１０ｂが算出する空気流量Ａに基づいて燃空比（Ｆ／Ａ）を算出し、算出した燃空比（Ｆ／Ａ）に基づいて燃焼器８の燃焼を制御する。
【００３６】
次に、燃焼器８（図１参照）の構成について説明する。
図４の（ａ）、（ｂ）に示すように、燃焼器８は一方が閉塞した有底の円筒形状を呈する燃焼器カバー８０内に形成され、中央部には拡散燃焼用のバーナである拡散パイロットバーナ８１が備わる。
さらに、拡散パイロットバーナ８１の外周を取り囲むように、予混合燃焼用のバーナである予混合バーナ８２が備わる。予混合バーナ８２は拡散パイロットバーナ８１の全周に亘って備わり、複数の予混合バーナ用燃料ノズル８２ａ、及び保炎器８３を備えて構成される。
また、燃焼器カバー８０の内周に沿うように燃焼器ライナ８４ａが備わって燃焼室８４を形成する。
燃焼器８は、燃焼室８４が形成される側を正面とする。
【００３７】
圧縮機７から流入する圧縮空気１６は、燃焼器ライナ８４ａと燃焼器カバー８０の間を通って流通し、拡散パイロットバーナ用空気１６ｂと予混合バーナ用空気１６ａとに分かれて、それぞれ拡散パイロットバーナ８１と予混合バーナ８２とに供給される。
【００３８】
燃料供給源１３から燃料制御弁１４を経由して燃焼器８に供給される燃料１５は、主に拡散パイロットバーナ８１に燃料１５を供給する拡散燃料系８５と、予混合バーナ８２に燃料１５を供給する予混合燃料系８６とに分流し、それぞれ拡散パイロットバーナ８１と予混合バーナ８２に供給される。
【００３９】
拡散燃料系８５には、燃料１５の流量を調節するための流量調節弁８５ａが備わる。流量調節弁８５ａは、ガスジェネレータ制御装置１０の切替制御部１０ｃと接続され、切替制御部１０ｃからの制御信号によって開度が調節される。
また、予混合燃料系８６には、燃料１５の流量を調節するための流量調節弁８７が備わる。流量調節弁８７は、ガスジェネレータ制御装置１０の切替制御部１０ｃと接続され、切替制御部１０ｃからの制御信号によって開度が調節される。
【００４０】
本実施形態に係る燃焼器８の予混合バーナ８２は、図４の（ｂ）に示すように正面の側（燃焼室８４の側）から見たときに、拡散パイロットバーナ８１の外周に沿って、上方から時計回りで略等分に円周方向に、４つの燃焼領域８２ｆ１、８２ｆ３、８２ｆ４、８２ｆ２に区分される。
この燃焼領域８２ｆ１、８２ｆ３、８２ｆ４、８２ｆ２が、個別に予混合燃焼できる領域になる。
そして、図４の（ａ）に示す予混合燃料系８６は、燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４のそれぞれに、個別に燃料１５を供給可能なように４系統からなり、燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４に対応して、予混合燃料系８６ｆ１〜８６ｆ４が備わる。
さらに、予混合燃料系８６ｆ１〜８６ｆ４には、それぞれ流量調節弁８７ｆ１〜８７ｆ４が備わる（図４の（ａ）には、予混合燃料系８６ｆ１，８６ｆ４と流量調節弁８７ｆ１，８７ｆ４が図示されている）。
【００４１】
このように構成される燃焼器８は、拡散パイロットバーナ８１に燃料１５を供給すると、拡散パイロットバーナ８１は、燃焼室８４で拡散パイロットバーナ用空気１６ｂと燃料１５を混合して拡散燃焼する。
また、予混合バーナ用燃料ノズル８２ａを介して予混合バーナ８２に燃料１５を供給すると、燃料１５は予混合バーナ８２内部で予混合バーナ用空気１６ａと混合（予混合）して燃焼室８４で予混合燃焼する。
すなわち、本実施形態に係る燃焼器８は、拡散パイロットバーナ８１による拡散燃焼と予混合バーナ８２による予混合燃焼を並行して運転することができる。
【００４２】
さらに、予混合バーナ８２は、燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４に個別に燃料１５を供給することができ、燃料１５が供給された燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４で予混合燃焼することができる。
すなわち、切替制御部１０ｃが、燃料１５を供給する燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４を選択することで、予混合燃焼する燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４を選択できる。
例えば、燃焼領域８２ｆ１で予混合燃焼する場合、切替制御部１０ｃは流量調節弁８７ｆ１を開いて燃焼領域８２ｆ１に燃料１５を供給すればよいし、燃焼領域８２ｆ１と燃焼領域８２ｆ２で予混合燃焼する場合、切替制御部１０ｃは流量調節弁８７ｆ１，８７ｆ２を開いて燃焼領域８２ｆ１，８２ｆ２に燃料１５を供給すればよい。
【００４３】
この構成によって、燃焼器８は、例えば予混合燃焼開始時に、燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４のそれぞれで個別に予混合燃焼を開始できる。
そして、図１に示す２軸式ガスタービン１に備わる燃焼器８の予混合燃焼開始の際、ガスジェネレータ制御装置１０は、負荷Ｌが「０」のときから負荷Ｌがある程度上昇するまで、燃焼器８の拡散パイロットバーナ８１で拡散燃焼して安定した火炎を発生させる。
そして、燃焼器８の拡散燃焼によって負荷Ｌがある程度上昇した時点で、ガスジェネレータ制御装置１０は、燃焼器８の予混合バーナ８２で予混合燃焼を開始して、ＮＯｘの発生を抑える。
【００４４】
さらに、予混合バーナ８２が複数、例えば図４の（ｂ）に示すように４つの燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４に区分される場合、ガスジェネレータ制御装置１０は、２軸式ガスタービン１の負荷Ｌに応じて予混合燃焼を開始する予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４を選択するとともに選択した燃焼領域で予混合燃焼を開始する。そして、ガスジェネレータ制御装置１０は、負荷Ｌの増加に対応して、予混合燃焼する燃焼領域を増やすように燃焼器８の予混合燃焼開始を制御し、より好適にＮＯｘの発生を抑える。
以下、燃焼器８の予混合燃焼開始時に拡散燃焼を開始すること、及び予混合燃焼する燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４を増やすことを「動作状態の変更」と称し、燃焼器８の動作状態を変更する点を「変更点」と称する。
【００４５】
例えば、１軸式のガスタービンにおいては、負荷の大きさによらず回転軸の回転速度が一定であることから燃焼器の空気流量Ａを一定にできる。したがって、燃焼器を制御する制御装置は、負荷Ｌの変化に対応して変化する燃焼器の燃料流量Ｆに基づいて燃焼器の動作状態を変更することで、ＮＯｘの発生を好適に抑制可能な運転が可能になる。
【００４６】
しかしながら、前記したように、図１に示す２軸式ガスタービン１は、負荷Ｌに応じてガスジェネレータ軸１８の回転速度ωが変化するのに伴って、燃焼器８の空気流量Ａを変化させることから、ガスジェネレータ制御装置１０が、燃焼器８の燃料流量Ｆに基づいて動作状態を変更すると、失火などの問題が発生する場合がある。
【００４７】
そこで、本実施形態に係る２軸式ガスタービン１は、燃焼器８の動作状態を変更するのに好適な燃空比（Ｆ／Ａ）を予め設定しておくとともに、ガスジェネレータ制御装置１０は、負荷Ｌの変化に対応して変化する燃空比（Ｆ／Ａ）に基づいて燃焼器８の動作状態を変更する構成とした。
【００４８】
図５に示すように、負荷が「０」のときに変更点Ｐ１を設定する。負荷が「０」の状態は、例えば、低圧タービン４（図１参照）が定格回転速度の約３０％で回転している状態であり、変更点Ｐ１は、図４の（ａ）に示すガスジェネレータ制御装置１０の切替制御部１０ｃが、燃焼器８の拡散パイロットバーナ８１で拡散燃焼を開始する変更点である。
すなわち、切替制御部１０ｃが流量調節弁８５ａを開いて、拡散パイロットバーナ８１に燃料１５を供給する点である。
なお、変更点Ｐ１において、燃料制御弁１４は、図２の（ａ）に示すグラフに基づいて、負荷が「０」のときに設定される燃料流量Ｆとなる開度で開かれている。
【００４９】
燃焼器８（図１参照）で拡散燃焼が開始すると負荷Ｌが上昇し、ガスジェネレータ制御装置１０の燃料制御部１０ａ（図１参照）は、負荷Ｌと大気温度Ｔに基づいて図２の（ａ）に示すグラフを参照し、燃料流量Ｆを算出する。
また、ＩＧＶ開度制御部１０ｂ（図１参照）は、負荷Ｌと大気温度Ｔとガスジェネレータ軸１８の回転速度ωに基づいて図３の（ａ）に示すグラフを参照し、空気流量Ａを算出する。
そして、ガスジェネレータ制御装置１０の切替制御部１０ｃ（図１参照）は、燃料流量Ｆと空気流量Ａとから、燃空比（Ｆ／Ａ）を算出する。
【００５０】
負荷Ｌの上昇に伴って燃空比（Ｆ／Ａ）が増加し、予め設定してある燃空比ＦＡ１に達すると、切替制御部１０ｃ（図１参照）は、予混合燃料系８６ｆ１に備わる流量調節弁８７ｆ１（図４の（ａ）参照）を開いて予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ１（図４の（ｂ）参照）に燃料１５（図１参照）を供給する。
そして、燃料１５が供給された予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ１は、予混合燃焼を開始する。
【００５１】
燃空比ＦＡ１は、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ１（図４の（ｂ）参照）で予混合燃焼を開始する変更点Ｐ２１の燃空比（Ｆ／Ａ）である。
燃空比ＦＡ１は、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ１で予混合燃焼を開始するのに好適な燃空比（Ｆ／Ａ）として、予め実験等で設定しておくことができる。
【００５２】
予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ１（図４の（ｂ）参照）で予混合燃焼が開始すると、負荷Ｌはさらに上昇する。そして、ガスジェネレータ制御装置１０の燃料制御部１０ａ（図１参照）とＩＧＶ開度制御部１０ｂ（図１参照）は、それぞれ負荷Ｌと大気温度Ｔとガスジェネレータ軸１８の回転速度ωに基づいて燃料流量Ｆと空気流量Ａを算出し、ガスジェネレータ制御装置１０の切替制御部１０ｃ（図１参照）は燃空比（Ｆ／Ａ）を算出する。
【００５３】
燃空比（Ｆ／Ａ）が増加して、予め設定してある燃空比ＦＡ２に達すると、切替制御部１０ｃ（図１参照）は、予混合燃料系８６ｆ２に備わる流量調節弁８７ｆ２を開いて予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ２（図４の（ｂ）参照）に燃料１５（図１参照）を供給する。
そして、燃料１５が供給された予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ２は、予混合燃焼を開始する。
【００５４】
燃空比ＦＡ２は、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ２（図４の（ｂ）参照）で予混合燃焼を開始する変更点Ｐ２２の燃空比（Ｆ／Ａ）である。
燃空比ＦＡ２は、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ２で予混合燃焼を開始するのに好適な燃空比（Ｆ／Ａ）として、予め実験等で設定しておくことができる。
【００５５】
同様に燃空比（Ｆ／Ａ）が、予め設定してある燃空比ＦＡ３に達すると、切替制御部１０ｃ（図１参照）は、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ３（図４の（ｂ）参照）に燃料１５（図１参照）を供給し、燃空比（Ｆ／Ａ）が、予め設定してある燃空比ＦＡ４に達すると、切替制御部１０ｃは、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ４（図４の（ｂ）参照）に燃料１５を供給する。
そして、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ３と燃焼領域８２ｆ４は順次予混合燃焼を開始する。
【００５６】
燃空比ＦＡ３は、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ３（図４の（ｂ）参照）で予混合燃焼を開始する変更点Ｐ２３の燃空比（Ｆ／Ａ）であり、燃焼領域８２ｆ３で予混合燃焼を開始するのに好適な燃空比（Ｆ／Ａ）として、予め実験等で設定しておくことができる。
同様に、燃空比ＦＡ４は、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ４（図４の（ｂ）参照）で予混合燃焼を開始する変更点Ｐ２４の燃空比（Ｆ／Ａ）であり、燃焼領域８２ｆ４で予混合燃焼を開始するのに好適な燃空比（Ｆ／Ａ）として、予め実験等で設定しておくことができる。
【００５７】
そして、予混合バーナ８２の全領域（燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４の全て）で予混合燃焼が開始されると、低圧タービン４の出力タービン軸６（図１参照）の回転速度が定格回転速度に達し、２軸式ガスタービン１（図１参照）を定格運転することができる。
【００５８】
このように、燃焼器８（図１参照）の動作状態を変更する変更点Ｐ２１〜Ｐ２４を、燃空比（Ｆ／Ａ）に基づいて設定すると、予混合バーナ８２の燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４（図４の（ｂ）参照）は、それぞれが好適な燃空比（Ｆ／Ａ）の状態で予混合燃焼を開始することができ、例えば失火などの問題に対処できる。
【００５９】
例えば、負荷Ｌと燃空比（Ｆ／Ａ）の関係が、図５に破線で示すような特性である場合、変更点Ｐ２１〜Ｐ２４は、それぞれの燃空比ＦＡ１〜ＦＡ４を変えることなく破線で示される特性上の点に移行する。
換言すると、負荷Ｌの上昇に伴って、燃空比（Ｆ／Ａ）が図５に破線で示すように増加する場合であっても、ガスジェネレータ制御装置１０（図１参照）は、燃空比ＦＡ１〜ＦＡ４のときに燃焼器８（図１参照）の動作状態を変更することができる。
【００６０】
したがって、負荷Ｌと燃空比（Ｆ／Ａ）がどのような特性で変化する場合であっても、ガスジェネレータ制御装置１０（図１参照）は、燃空比ＦＡ１〜ＦＡ４のときに燃焼器８（図１参照）の動作状態を変更することができる。前記したように、燃空比ＦＡ１〜ＦＡ４は、図４の（ｂ）に示す、燃焼器８の燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４が、予混合燃焼を開始するのに好適な燃空比であり、燃焼器８の燃焼領域８２ｆ１〜８２ｆ４が予混合燃焼を開始するときの失火などの問題の発生を抑制できる。
【００６１】
なお、本実施形態に係る予混合バーナ８２を、図４の（ｂ）に示すように正面の側（燃焼室８４の側）から見たときに、拡散パイロットバーナ８１の外周に沿って、上方から時計回りに、４つの燃焼領域８２ｆ１、８２ｆ３、８２ｆ４、８２ｆ２に区分し、上方の燃焼領域８２ｆ１から予混合燃焼を開始することで、高圧タービン９のガス温度分布の偏差を小さくできることがわかっている。
【００６２】
また、燃焼領域８２ｆ１、８２ｆ２、８２ｆ３、８２ｆ４の順に予混合燃焼を開始すると、一酸化炭素（ＣＯ）の発生を好適に抑制できる。
互いに隣接する燃焼領域の一方で予混合燃焼する場合、予混合燃焼する燃焼領域と予混合燃焼しない燃焼領域の境界部分の不燃焼部分からＣＯが発生することがわかっている。そこで、燃料領域８２ｆ１の次に、隣接する燃料領域８２ｆ２で予混合燃焼を開始して、予混合燃焼する燃焼領域と予混合燃焼しない燃焼領域の境界部分が少なくなるように構成する。
【００６３】
以上のように、本実施形態に係る２軸式ガスタービン１（図１参照）においては、燃空比（Ｆ／Ａ）に基づいて、燃焼器８（図１参照）の動作状態を変更する変更点Ｐ２１〜Ｐ２４（図５参照）を設定し、ガスジェネレータ制御装置１０（図１参照）は、変更点Ｐ２１〜Ｐ２４で燃焼器８の動作状態を変更することを特徴とする。
すなわち、ガスジェネレータ制御装置１０の切替制御部１０ｃ（図１参照）は、燃空比（Ｆ／Ａ）に基づいて、燃焼器８の動作状態を変更する。
【００６４】
そして、変更点Ｐ２１〜Ｐ２４（図５参照）の燃空比（Ｆ／Ａ）が、燃焼器８の動作状態を変更するのに好適な燃空比（Ｆ／Ａ）となるように構成することで、変更点Ｐ２１〜Ｐ２４における失火の発生など、燃焼器８の動作状態の変更による問題の発生を好適に抑制できるという優れた効果を奏する。
【符号の説明】
【００６５】
１ ２軸式ガスタービン
８ 燃焼器
１０ ガスジェネレータ制御装置（制御装置）
８１ 拡散パイロットバーナ（拡散燃焼用のバーナ）
８２ 予混合バーナ（予混合燃焼用のバーナ）
８２ｆ１，８２ｆ２，８２ｆ３，８２ｆ４ 燃焼領域（領域）
Ａ 空気流量
Ｆ 燃料流量
Ｆ／Ａ 燃空比
【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散燃焼用のバーナの周囲に環状に配置される予混合燃焼用のバーナが、個別に予混合燃焼できる少なくとも２つの領域に円周方向に区分される燃焼器と、
予混合燃焼していない前記燃焼器の予混合燃焼開始を制御する制御装置と、を含んで構成される２軸式ガスタービンであって、
前記制御装置は、前記燃焼器の予混合燃焼開始時に、前記燃焼器における空気流量Ａと燃料流量Ｆの比である燃空比（Ｆ／Ａ）に基づいて予混合燃焼を開始する前記領域を選択するとともに選択した前記領域ごとに予混合燃焼を開始し、前記燃空比の増加に伴って予混合燃焼する前記領域を増やすことを特徴とする２軸式ガスタービン。
【請求項２】
拡散燃焼用のバーナの周囲に環状に配置される予混合燃焼用のバーナが、個別に予混合燃焼できる少なくとも２つの領域に区分されるように構成される、２軸式ガスタービン用の燃焼器の予混合燃焼開始方法であって、
予混合燃焼していない前記燃焼器の予混合燃焼開始を制御する制御装置が、前記燃焼器における空気流量Ａと燃料流量Ｆの比である燃空比（Ｆ／Ａ）に基づいて予混合燃焼を開始する前記領域を選択するステップと、
選択した前記領域ごとに予混合燃焼を開始するステップを有し、
前記燃空比の増加に伴って予混合燃焼する前記領域を増やすことを特徴とする、２軸式ガスタービン用の燃焼器の予混合燃焼開始方法。
【請求項１】
拡散燃焼用のバーナの周囲に環状に配置される予混合燃焼用のバーナが、個別に予混合燃焼できる少なくとも２つの領域に円周方向に区分される燃焼器と、
予混合燃焼していない前記燃焼器の予混合燃焼開始を制御する制御装置と、を含んで構成される２軸式ガスタービンであって、
前記制御装置は、前記燃焼器の予混合燃焼開始時に、前記燃焼器における空気流量Ａと燃料流量Ｆの比である燃空比（Ｆ／Ａ）に基づいて予混合燃焼を開始する前記領域を選択するとともに選択した前記領域ごとに予混合燃焼を開始し、前記燃空比の増加に伴って予混合燃焼する前記領域を増やすことを特徴とする２軸式ガスタービン。
【請求項２】
拡散燃焼用のバーナの周囲に環状に配置される予混合燃焼用のバーナが、個別に予混合燃焼できる少なくとも２つの領域に区分されるように構成される、２軸式ガスタービン用の燃焼器の予混合燃焼開始方法であって、
予混合燃焼していない前記燃焼器の予混合燃焼開始を制御する制御装置が、前記燃焼器における空気流量Ａと燃料流量Ｆの比である燃空比（Ｆ／Ａ）に基づいて予混合燃焼を開始する前記領域を選択するステップと、
選択した前記領域ごとに予混合燃焼を開始するステップを有し、
前記燃空比の増加に伴って予混合燃焼する前記領域を増やすことを特徴とする、２軸式ガスタービン用の燃焼器の予混合燃焼開始方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１６８９５７（Ｐ２０１０−１６８９５７Ａ）
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１０５２（Ｐ２００９−１１０５２）
【出願日】平成２１年１月２１日（２００９．１．２１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２１日（２００９．１．２１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
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