(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン燃焼器の複数の温度監視点の温度過昇を、複数の熱電対で監視するガスタービン燃焼器の燃焼監視装置において、前記各熱電対の温接点を監視部分に設置し、それぞれの素線の末端を別の熱電対の逆の極性の素線に順次直列に接続するとともに、この直列に接続された複数の熱電対群の両端素線部分の電圧を検出することで、複数の監視点における温度の同時監視を可能とし、かつ前記熱電対素線の直列接続部を燃焼用空気の圧力容器内部に設置したことを特徴とするガスタービン燃焼器の燃焼監視装置。
【請求項２】
請求項１記載のガスタービン燃焼器の燃焼監視装置において、燃料と燃焼用空気とを予混合して燃焼させる予混合型燃焼器の予混合器壁の外面に、複数の熱電対の温接点を設置するとともに、それぞれの熱電対の素線の直列接続部を燃焼用空気の流路内に設置し、予混合燃料への逆火を監視可能としたことを特徴とするガスタービン燃焼器の燃焼監視装置。
【請求項３】
請求項１記載のガスタービン燃焼器の燃焼監視装置において、燃料と燃焼用空気とを予混合して燃焼させる予混合型燃焼器の予混合燃料流路に、複数の熱電対の温接点を設置するとともに、それぞれの熱電対の素線の直列接続部を燃焼用空気の流路内に設置し、予混合燃料への逆火を監視可能としたことを特徴とするガスタービン燃焼器の燃焼監視装置。
【請求項４】
ガスタービン燃焼器の複数の温度監視点の温度過昇を、複数の熱電対で監視するガスタービン燃焼器の燃焼監視装置において、前記各熱電対の温接点を監視部分に設置するとともに、それぞれの素線の末端がすべて同じの極性に接続されるように並列接続な接続構成とし、この並列に接続された複数の熱電対群の両端素線部分の電圧を検出することで、複数の監視点における温度の同時監視を可能とし、かつ前記熱電対素線の並列接続部を燃焼用空気の圧力容器内部に設置したことを特徴とするガスタービン燃焼器の燃焼監視装置。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれかに記載のガスタービン燃焼器の燃焼監視装置において、同一シース内に複数組の素線を配置して多重化することにより、一つの温度監視部分について複数の熱電対の温接点で監視可能としたことを特徴とするガスタービン燃焼器の燃焼監視装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ガスタービン燃焼器の燃焼監視装置に係り、特に燃焼器の温度過昇防止のために有効なガスタービン燃焼器の燃焼監視装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガスタービン燃焼器では、排気ガス中のＮＯｘ濃度低減のため、燃料の一部を予め燃焼用の空気と混合して燃焼室内に供給する予混合燃焼方法が広く採用されている。この予混合燃焼方法を採用する場合は、予混合燃料への逆火や、不安定な燃焼による振動の発生やライナの温度上昇などが起こる場合がある。予想外の運転等により逆火や不安定な燃焼が発生した場合はそれを正確に検知して、燃焼モードを変更したり予混合燃料の遮断あるいは全燃料遮断によるトリップ等の処置をして機器を保護する必要性がある。
【０００３】
その監視方法として熱電対を使用する方法が実開昭６１−３９２５４号や実開昭６３−１１６７５９号などで公開されている。このような従来の燃焼監視装置の例では予混合燃焼域の燃焼器壁に熱電対を取り付けて、温度指示値により逆火または燃焼振動を監視するようになっている。またその他の従来例では予混合燃焼域のガス温度を検出して燃焼監視あるいは燃焼診断をするようになっている。
【０００４】
ここで、逆火などの検出のために熱電対を用いて温度検出する場合、検出精度を向上させるためには複数の熱電対を用いる必要がある。当然ながら熱電対または先端の温接点１点の温度しか検出することができないが、実際の燃焼器は有限の面あるいは空間から構成されているためである。
【０００５】
予混合燃焼器の予混合器内への逆火を検出する場合、同様な予混合器が複数ある燃焼器であれば少なくとも予混合器の数と同数の熱電対を取り付けることが望ましい。また予め混合器が一つの環状になっている場合でも周囲の一部だけが逆火して壁面温度が上昇した場合、ライナ構成材料の厚さは通常１から３ｍｍ程度の薄い板を使用しているために近隣壁への温度影響が少ないために１点の温度計測では異常の検出精度が悪い。したがって検出精度の向上のためには多数の熱電対を周囲に取り付けることが望まれる。
【０００６】
燃焼器のライナは燃焼器ケーシング等の圧力容器に囲まれているため熱電対を外部の監視・制御盤等に引き出す必要がある。燃焼器の分解・組立時は多数の熱電対をその都度、耐圧構造で引き出すために作業時間が多くかかる。また、熱電対を接続し、導線を監視・制御装置等に導く結線作業の時間も多く、作業ミスや導線部分の断線も発生する心配がある。さらに熱電対の起電力を温度信号に変換する温度変換器も熱電対の数だけ多くなり監視装置が高価になり、場合によっては部品点数の増加により全体の信頼性が損われる心配がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような熱電対を用いたガスタービン燃焼器の燃焼監視装置においては、温度監視の信頼性を向上させるために監視点の数を多くする必要があるが、そのためには一点の監視点に一組の温度変換器が必要となり監視装置の部品点数が多くなり高価になるといった課題がある。
【０００８】
また、複数の熱電対を燃焼器の分解組立の度に圧力容器から引き出す作業時間が多くかかるといった課題がある。さらに、熱電対を多数用いることで監視装置の総合的な信頼性を損うことがないようにしなければならないといった課題がある。
【０００９】
そこで本発明の目的は、部品点数が少なく、比較的容易に組立ができ、信頼性の高いガスタービン燃焼器の燃焼監視装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は以上の課題を解決するために、ガスタービン燃焼器の複数の温度監視点の温度過昇を、複数の熱電対で監視するガスタービン燃焼器の燃焼監視装置において、前記各熱電対の温接点を監視部分に設置し、それぞれの素線の末端を別の熱電対の逆の極性の素線に順次直列に接続するとともに、この直列に接続された複数の熱電対群の両端素線部分の電圧を検出することで、複数の監視点における温度の同時監視を可能とし、かつ前記熱電対素線の直列接続部を燃焼用空気の圧力容器内部に設置したことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、複数の熱電対により複数の監視点の温度を監視するようにしたガスタービン燃焼器の燃焼監視装置において、それぞれの熱電対の温接点を監視部分に設置して、それぞれの素線の末端が全て同じ極性に接続されるように並列に構成し、上記の並列に接続された複数の熱電対群の両端素線部分の電圧を検出することで複数の監視点の温度を同時に監視可能とし、かつ前記熱電対素線の並列接続部を燃焼用空気の圧力容器内部に設置したことを特徴とする。
【００１３】
【作用】
本発明によれば、一つの燃焼器における複数の温度監視点に対して基本的に一組の温度変換器があれば良いために、部品点数を少なくすることができる。
【００１４】
また、熱電対素線の直列または並列接続部を燃焼用空気の圧力容器内部に構成すれば、燃焼器の圧力容器から外部に引き出す導線の数が少なくなるために、燃焼器分解組立時の作業時間を短くすることができる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明によるガスタービン燃焼器の燃焼監視装置の実施例について添付図面を参照して説明する。
【００１６】
本発明の一実施例を図１〜図４に示す。図１は多缶式燃焼器を組み込んだガスタービンの燃焼器部分の断面図、図２は温度計測部分の断面図、図３は熱電対素線の結線図、図４はシース熱電対の取付け図である。なお、本実施例では予混合燃焼器の逆火監視のための燃焼監視装置を取り付けた例を示す。
【００１７】
図１および図２に示すように、圧縮機吐出ケーシング１とタービンケーシング２とは、燃焼器および図示しないタービンなどの圧力容器になっている。タービンケーシング２には燃焼器の缶数分の燃焼器ケーシング３がボルト締めなどで固定されており、その末端に取り付けられるヘッドプレート４およびパイロット燃料ノズル５により燃焼器回りの圧力容器を接続している。
【００１８】
燃焼器のライナ８は燃焼器ケーシング３に取り付けたフロースリーブ６の図示しないサポート部品によって下流側に動かないように支持されている。ライナの下流にはトランジションピース７が接続されており、ライナ内で発生した高温燃焼ガスａを図示しないノズルおよびタービンへと導いて動力を発生するようになっている。
【００１９】
図１の実施例では、燃焼器ライナ８の上流部にパイロット燃料ノズル５が設けてあり、予混合燃料ガスの着火源となるよう燃料の一部を供給し、燃焼させるようになっている。予混合用燃料は燃料制御弁１０により流量をコントロールされて予混合用燃料配管８ａ、予混合用燃料取入口４ａ、予混合燃料ヘッダ４ｂ、予混合用燃料ノズル４ｃへと供給され、予混合器８ａの内部に噴射される。
【００２０】
予混合用燃料配管８ａ内で予混合用燃料と圧縮機吐出空気ｂの一部とが混合されて予混合器先端開口部（予混合ノズル）より燃焼器ライナ８内部に供給される。各予混合用燃料配管８ａの先端部壁には図３に示すように、壁外面にシース熱電対１１の先端を取り付けてある。
【００２１】
シース熱電対１１はガスタービンの振動や空気の流れにより加振されて断線しないよう、図３に示すように要所をステンレス箔１８，１８ａで予混合器８ａあるいは燃焼器ライナ８に固定されている。各シース熱電対１１はジョイント１２に集合してその内部で隣接熱電対素線と接続されている。熱電対素線の接続状態は図２に示してある。
【００２２】
本実施例ではシース熱電対１１の内部に１セットの＋側素線２１と−側素線２２があり、先端で温接点２５を形成している。ジョイント１２の内部では隣接する素線との間で極性が逆の温接点２６を形成しており、両端のシース熱電対の素線の一本ずつが接点２７，２８を介して耐熱導線１３の素線２３，２４に接続されている。ジョイント１２は燃焼器ライナ８の外面の圧縮機吐出空気（燃焼用空気）の流路内に突出させて固定してある。
【００２３】
また、本実施例では耐熱導線１３はシース熱電対１１と同じ構造であり内部の素線には熱電対素線を用いている。シース熱電対１１、ジョイント１２および耐熱導線１３の内部は素線間のショートを防止するためにセラミック粉末等の絶縁物が充填されている。絶縁物としては酸化マグネシウムＭｇＯを用いるのが一般的である。
【００２４】
ジョイント１２の内部はセラミック製保護管で絶縁することもできる。耐熱導線１３の途中にはスリーブ１４が銀ロウ付けで固定され、この部分でフィッティング１７を用いて燃焼器ケーシング３を貫通して外部に引き出すようになっている。
【００２５】
燃焼器ケーシング３の外部では耐熱導線１３がジョイントスリーブ１５を介して補償導線１６に接続されている。
【００２６】
燃焼器ライナ８には上記補償導線１６までが予め組み立てられている。補償導線１６は現場に設置した端子台３０に接続され、導線３１を経由して温度変換器３２に起電力を伝達するようになっている。温度変換器の出力信号３３は判定回路３４に渡り、そこで逆火等による温度異常を判定したり、断線の判定をして緊急時には制御回路３５に燃料制御弁１０の閉操作をするよう指令を出すようになっている。
【００２７】
図示しないその他のライナも同様に判定回路３４に温度信号が伝達されるようになっており、全てのライナに対して同様な監視を行い、少なくとも一つのライナが例えば逆火と判定した時は予混合用の燃料制御弁１０に全閉指令３６を伝達するなどの保護動作をするようになっている。
【００２８】
次に図４を用いて本実施例の機能を説明する。図４は一つのライナの監視用熱電対素線の回路図を示すものである。一つのライナにｎ点の温度監視点がある場合は計測部の温接点２５はｎ点あり、ジョイント１２の中にある極性が反対の温接点は（ｎ−１）点になり、いわゆる直列型の熱電意を構成している。温接点２５の温度がＴ１，Ｔ２，…Ｔｎであり、ジョイント内の温接点２６の温度をｔ１，ｔ２，…ｔｎ−１  とする。
【００２９】
この場合は温度変換器には（Ｔ１＋Ｔ２＋…Ｔｎ）−（ｔ１＋ｔ２＋…ｔｎ−１）の温度に対応した起電力が生じる。したがってｔｉ（ｉ＝１，２，…ｎ−１）の温度が分かれば監視点の温度の変化を検知できる。
【００３０】
ここで、ジョイントを温度の安定した位置に設置すれば、監視点の温度変化のみを検出することができる。例えばジョイントを燃焼器の圧力容器の外部の大気中に設置すれば、大気の温度＝ｔ０（必要に応じて別途検出する）として監視点の温度変化を検知できる。本実施例では図３に示すように、計測点の位置を高温になるライナから離れた位置にしてあるので、Ｔ１からＴｎの温度は定常状態では圧縮機吐出空気温度Ｔｃｄにほぼ等しくなる。
【００３１】
さらにジョイント２もライナ外面の圧縮機吐出空気の流路部に突出させて設置してある。したがってジョイント内の通常の温度が圧縮機吐出空気温度になるため、ｔ１からｔｎ−１の接点部温度もＴｃｄに等しくなり、定常運転時は温度変換器の示す温度はｎ×Ｔｃｄ−（ｎ−１）×Ｔｃｄ＝Ｔｃｄであり、圧縮機吐出空気温度に等しくなる（但し計測部とジョイント部で若干の温度差が生じることもある）。
【００３２】
本実施例ではこのように、ジョイントを燃焼器の圧力容器内部に設置したために燃焼器ケーシングから外部に導線１３を引き出す構造とその作用が容易になっている。さらにジョイント部を圧縮機吐出空気流路内に設置したため、通常時に温度変換器の示す温度が圧縮機吐出空気温度にほぼ等しくなる。よって、逆火判定回路の基本となる閾値（温度上限値）は実際の監視部に対して許容できる閾値（上限温度）と同じ値で良いか、あるいはそれを微調整する程度で実用に供することができる。すなわち、別途ジョイント部の温度を検出する必要もなく判定回路のロジックを簡単にすることができる。
【００３３】
なお、実際の運転では計測部とジョイント部の温度変化に対する応答性が異なるために負荷変化時などは通常状態でも圧縮機吐出空気温度より高くなる場合がある。そこで燃料流量等の条件が変化した場合は閾値を高くする等の機能を持つフィルター回路を通すことで誤判定を防止することができる。
【００３４】
以上のように本実施例によれば、１セットの温度変換器で複数の監視点を同時に温度監視でき、またジョイント１２を燃焼器の圧力容器の内部に設置してあるので、燃焼器分解組立に伴う監視装置の配線作業時間を少なくすることができる。またジョイント１２を圧縮機吐出空気流路に設置することで逆火の判定回路を比較的に簡略化することができ、監視装置の信頼性を向上させることができる。
【００３５】
本発明の他の実施例を図５に示す。図５は一実施例の説明に用いた図２に相当する部分の構成を示すものであり、その他の構成は第一の実施例と同様である。本実施例ではジョイント１２の内部でシース熱電対のそれぞれの＋側素線２１が耐熱導線の＋側素線２３に接続され、同様にシース熱電対の−側素線２２が導線の−側素線２４に接続されている。この構成の熱電対の回路は図６に示すように並列回路を形成している。
【００３６】
本実施例によれば計測部に取り付けた複数の温接点２５の温度の概略の平均温度が温度変換器から出力される。逆火等によりいくつかの温接点が温度上昇した場合、温接点で生じた起電力によりその他のシース熱電対部分に電流が流れるために、温度変換器３２で計測される電圧が低下するため、計測部の温度変化量が減少されて判定回路に伝わる。したがって判定に用いる閾値は前記の一実施例の直列型のものに比べて低く設定してある。
【００３７】
さらに他の実施例として、図２および図５に示した直列型あるいは並列型の熱電対を一つのライナに対して複数組取り付け、それぞれの計測点に複数の温接点を取り付けるようにしたものが可能である。これにより、熱電対の断線による誤信号で無意味な燃料の遮断をすることがないようにすることができる。例えば二重化した場合は２組とも温度上昇を示した場合に温度異常と判定するようにする。三重化した場合は少なくとも２組が温度上昇した場合に温度異常と判定することで、誤信号の排除が可能である。
【００３８】
また、図２および図５に示したシース熱電対、および導線部分の素線を複数組設置して一組のシース熱電対内で多重化しても、上記の多重化が可能である。この場合は燃焼器の分解組立時の耐熱導線引き出し作業や監視熱電対のライナ、予混合器への取り付け作業などが一実施例および他の実施例と同程度に簡単なため、より作業性をよくすることができる。
【００３９】
また、計測部のシース熱電対取り付け方法は、壁面取り付けによる方法に限定されず、図７に示すように壁面を貫通して予混合燃料５１に接するようにシース熱電対１１を取り付けてもよい。また、壁面に取り付ける場合でも計測点で素線を露出させて応答性を高めることも可能である。
【００４０】
さらに、上記の実施例ではジョイントを一体の構造で説明したが、各接続部の温接点２６を独立したジョイントに内蔵し、ジョイント間をシース熱電対で接続することもできる。図８はシース熱電対１１の内部に２組の素線を設置し（ダブルエレメントシース熱電対）、ジョイント部をシース熱電対毎に独立させた構成の実施例である。
【００４１】
このような構成では、シース熱電対１１と外部引き出し導線１３ａにダブルエレメントシース熱電対を使用し、耐熱導線１３にシングルエレメントシース熱電対を使用できるため、特殊なシース熱電対や耐熱導線を製作する必要がない。また、ジョイント１２を小型にすることができ、前記各実施例のようにジョイント内部の素線接続数を増加することなく多数の計測点に対応することができる。
【００４２】
なお、本発明は以上の各実施例に限らず種々の変更が可能である。ジョイントとシース熱電対の取り付け方法、圧力容器を貫通する部分の構造なども、種々の応用が可能である。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、複数の熱電対により複数の監視点の温度を監視するようにしたガスタービン燃焼器の燃焼監視装置において、それぞれの熱電対の温接点を監視部分に設置してそれぞれの素線の末端を別の熱電対の逆の極性の素線に順次接続するように直列に構成し、上記の直列に接続された複数の熱電対群の両端素線部分の電圧を検出するか、あるいは、それぞれの熱電対の温接点を監視部分に設置して、それぞれの素線の末端が全て同じ極性に接続されるように並列に構成し、上記の並列に接続された複数熱電対群の両端素線部分の電圧を検出することで複数の監視点の温度を同時に監視することができるので、一つの燃焼器における複数の温度監視点に対して基本的に一組の温度変換器があれば良いために、部品点数を少なくできるという効果が奏される。
【００４４】
また、上記の直列に接続した熱電対あるいは並列に接続した熱電対素線の接続部を燃焼用空気の圧力容器内部に構成することにより、燃焼器の圧力容器から外部に引き出す導線の数が少なくなるために、燃焼器分解組立時の作業時間を短かくすることができるという効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す断面図。
【図２】一実施例の温度計測部分の詳細断面図。
【図３】一実施例のシース熱電対の取り付け図。
【図４】一実施例における熱電対素線を示す結線図。
【図５】本発明の他の実施例を示す温度計測部の詳細断面図。
【図６】他の実施例における熱電対素線の結線図。
【図７】さらに他の実施例を示すシース熱電対の他の取り付け図。
【図８】温度計測部の熱電対および導線の他の実施例を示す説明図。
１  圧縮機吐出ケーシング
２  タービンケーシング
３  燃焼器ケーシング
４  ヘッドプレート
４ａ  予混合用燃料取入口
４ｂ  予混合用燃料ヘッダー
４ｃ  予混合用燃料ノズル
５  パイロット燃料ノズル
６  フロースリーブ
７  トランジションピース
８  ライナ
８ａ  予混合用燃料配管
８ｂ  カラー
１０  燃料制御弁
１１  シース熱電対
１２  ジョイント
１３  耐熱導線
１４  スリーブ
１５  ジョイントスリーブ
１６  導線
１７  フィッティング
１８，１８ａ  ステンレス箔
２１  測温部熱電対＋側素線
２２  測温部熱電対−側素線
２３  導線部＋側素線
２４  導線部−側素線
２５  熱電対計測部接点（温接点）
２６  −熱電対接続部接点
２７  プラス側接続部
２８  マイナス側接続部
２９  絶縁物
３０  端子台
３１  導線
３２  温度変換器
３３  温度信号
３４  判定回路
３５  制御信号
３６  制御信号
４０  制御装置
４１  予混合用燃料配管
５１  予混合燃料ガス
ａ  燃焼ガス
ｂ  圧縮機吐出空気
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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