(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料供給弁を所定の順序で操作して燃料を燃焼室へ供給し、着火して燃焼させるガスタービンの着火検出方法において、
着火が正常に行われた場合の燃料流量とタービン入口の燃焼ガス温度との関係を調べておき、この関係より得られる供給した燃料流量に対するタービン入口の正常な燃焼ガス温度とタービン入口の測定した燃焼ガス温度とを比較し、測定した燃焼ガス温度の方が低い場合、着火不良と判断するガスタービンの着火検出方法。
【請求項２】
複数の燃料供給弁を所定の順序で操作して燃料を燃焼室へ供給し、着火して燃焼させるガスタービンの着火検出方法において、
着火が正常に行われた場合の燃料流量とタービン出口の燃焼ガス温度との関係を調べておき、この関係より得られる供給した燃料流量に対するタービン出口の正常な燃焼ガス温度とタービン出口の測定した燃焼ガス温度とを比較し、測定した燃焼ガス温度の方が低い場合、着火不良と判断するガスタービンの着火検出方法。
【請求項３】
複数の燃料供給弁を所定の順序で操作して燃料を燃焼室へ供給し、着火して燃焼させるガスタービンの着火検出方法において、
正常な着火が行われる場合のタービン出口の燃焼ガス温度とタービン入口の燃焼ガス温度との関係を表す第１手段と、正常な着火が行われる場合の燃料流量とタービン入口の燃焼ガス温度との関係を表す第２手段と、を備え、測定したタービン出口の燃焼ガス温度から第１手段で求めたタービン入口の燃焼ガス温度を第１燃焼ガス温度とし、供給した燃料流量から第２手段で求めたタービン入口の燃焼ガス温度を第２燃焼ガス温度とし、第２燃焼ガス温度が第１燃焼ガス温度より高いとき着火不良と判断するガスタービンの着火検出方法。
【請求項４】
前記第１手段は、ガスタービンの圧縮機の入口空気温度をパラメータとしてタービン出口の燃焼ガス温度に対するタービン入口の燃焼ガス温度を表すことを特徴とする請求項３記載のガスタービンの着火検出方法。
【請求項５】
前記第２手段は、ガスタービンの圧縮機の入口空気温度をパラメータとして燃料流量に対するタービン入口の燃焼ガス温度を表すことを特徴とする請求項３記載のガスタービンの着火検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の燃料供給弁を順次開閉して燃料を供給し燃焼させることにより、低ＮＯｘ燃焼を行うガスタービンの着火検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンにおけるＮＯｘ発生の要因として燃焼ガスの局部的高温化が挙げられる。燃焼ガスの流れの一部で当量比が１に近い部分が発生すると、この部分では燃焼ガスが断熱火炎温度に近い高温となり、ＮＯｘが発生する。このＮＯｘの低減方法としては、空気を燃焼に必要な量以上に供給する希薄燃焼方法や、供給燃料を予め空気で希薄均一化して燃焼室に送り燃焼させる予混合燃焼方法が用いられている。しかし、定格負荷時に希薄予混合燃焼を行うように設定すると、部分負荷時には予混合燃料の燃焼濃度が可燃限界以下になって燃焼困難となるため、燃料供給系統を複数系統に分け、負荷に応じて供給する系統を増加してゆく方法が用いられている。この方法はステージングと呼ばれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような燃料供給系統において、負荷の増加により燃料供給を開始した場合その供給燃料への着火（火移り）が確実に行われたかの検出方法がなかった。ステージング時に完全に吹き消えた場合は、エンジン異常でエンジンが停止されるが、一部だけ吹き消えた場合は、過剰に燃料を供給した状態でエンジンが運転されてしまい、未燃焼の燃料の後燃え等の不具合を生ずる。
【０００４】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、燃料供給系統を複数系統に分け、負荷に応じて供給する系統を増加してゆく際、増加した系統により供給された燃料の着火を検出するガスタービンの着火検出方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１の発明では、複数の燃料供給弁を所定の順序で操作して燃料を燃焼室へ供給し、着火して燃焼させるガスタービンの着火検出方法において、着火が正常に行われた場合の燃料流量とタービン入口の燃焼ガス温度との関係を調べておき、この関係より得られる供給した燃料流量に対するタービン入口の正常な燃焼ガス温度とタービン入口の測定した燃焼ガス温度とを比較し、測定した燃焼ガス温度の方が低い場合、着火不良と判断する。
【０００６】
燃料供給弁の一つまたは複数を操作して燃料を供給し、供給した燃料が着火すると供給している全燃料流量に応じた温度を有する燃焼ガスがタービン入口に流入する。燃料供給弁の操作により新たに供給した燃料が着火していないときは、着火しているときの温度よりタービン入口の燃焼ガスの温度は低下する。故に、この温度の低下を検出して着火不良を判断できる。
【０００７】
請求項２の発明では、複数の燃料供給弁を所定の順序で操作して燃料を燃焼室へ供給し、着火して燃焼させるガスタービンの着火検出方法において、着火が正常に行われた場合の燃料流量とタービン出口の燃焼ガス温度との関係を調べておき、この関係より得られる供給した燃料流量に対するタービン出口の正常な燃焼ガス温度とタービン出口の測定した燃焼ガス温度とを比較し、測定した燃焼ガス温度の方が低い場合、着火不良と判断する。
【０００８】
燃料供給弁の一つまたは複数を操作して燃料を供給し、供給した燃料が着火すると供給している全燃料流量に応じた温度を有する燃焼ガスがタービン入口に流入しタービンを駆動してタービン出口より流出する。燃料供給弁の操作により新たに供給した燃料が着火していないときは、着火しているときの温度よりタービン出口の燃焼ガスの温度は低下する。故に、この温度の低下を検出して着火不良を判断できる。
【０００９】
請求項３の発明では、複数の燃料供給弁を所定の順序で操作して燃料を燃焼室へ供給し、着火して燃焼させるガスタービンの着火検出方法において、正常な着火が行われる場合のタービン出口の燃焼ガス温度とタービン入口の燃焼ガス温度との関係を表す第１手段と、正常な着火が行われる場合の燃料流量とタービン入口の燃焼ガス温度との関係を表す第２手段と、を備え、測定したタービン出口の燃焼ガス温度から第１手段で求めたタービン入口の燃焼ガス温度を第１燃焼ガス温度とし、供給した燃料流量から第２手段で求めたタービン入口の燃焼ガス温度を第２燃焼ガス温度とし、第２燃焼ガス温度が第１燃焼ガス温度より高いとき着火不良と判断する。
【００１０】
燃料供給弁の一つまたは複数を操作して燃料を供給し、供給している全燃料流量とそのときのタービン出口の燃焼ガス温度を計測する。この全燃料流量を用いて第２手段よりタービン入口の燃焼ガスの温度を求めると、この温度は供給された燃料が全て着火して燃焼しているときの温度を示す。一方このときのタービン出口の燃焼ガス温度を用いて第１手段でタービン入口の燃焼ガスの温度を求めると、この温度は、供給された燃料が全て着火して燃焼しているときは第２手段で求めた燃焼ガスの温度と同一の温度を示すが、着火せず未燃焼の燃料があるとタービン出口の燃焼ガスの温度は低下するので、第２手段で求めた燃焼ガスの温度より低い温度となる。これにより、第２燃焼ガス温度が第１燃焼ガス温度より高いとき着火不良と判断することができる。
【００１１】
請求項４の発明では、前記第１手段は、ガスタービンの圧縮機の入口空気温度をパラメータとしてタービン出口の燃焼ガス温度に対するタービン入口の燃焼ガス温度を表す。
【００１２】
ガスタービンで発電機を駆動する場合、発電する電気の周波数を一定に保ため回転数を一定に保持して運転する。一定回転数で圧縮機を回転しているとき、入口の空気温度により空気密度が変わり、これにより圧縮比が変わり、燃焼室に供給される空気の流量が変わる。このため燃焼室に供給された全燃料流量が同じでもタービン入口の燃焼ガスの温度は、圧縮機入口の空気温度により変わる。故に、圧縮機の入口空気温度をパラメータとしてタービン出口の燃焼ガス温度に対するタービン入口の燃焼ガス温度を表す。
【００１３】
請求項５の発明では、前記第２手段は、ガスタービンの圧縮機の入口空気温度をパラメータとして燃料流量に対するタービン入口の燃焼ガス温度を表す。
【００１４】
ガスタービンで発電機を駆動する場合、発電する電気の周波数を一定に保ため回転数を一定に保持して運転する。一定回転数で圧縮機を回転しているとき、入口の空気温度により空気密度が変わり、これにより圧縮比が変わり、燃焼室に供給される空気の流量が変わる。これにより燃焼室に供給された全燃料流量が同じでもタービン入口の燃焼ガスの温度は、圧縮機入口の空気温度により変わる。このため、圧縮機の入口空気温度をパラメータとして全燃料流量に対するタービン入口の燃焼ガス温度を表す。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明を実施するガスタービンの構成図であり、図２は図１のＸ−Ｘ断面図である。本ガスタービンは発電用として用いられ、発電機を一定回転数で駆動する。ガスタービンは地上に固定されているものとするが、航空用としてもよい。本ガスタービンは低ＮＯｘ燃焼器を備えている。燃料としては液体、気体のいずれでもよい。
【００１６】
ガスタービンは空気を圧縮する圧縮機１と、圧縮した空気に燃料を吐出して燃焼し燃焼ガスを発生する燃焼器２と、この燃焼ガスにより回転し圧縮機１を回転すると共に不図示の発電機を回転するタービン３より構成される。Ｅは圧縮機１の入口、Ｆはタービン入口、Ｇはタービン出口を示す。
【００１７】
燃焼器２は、中心前部に形成されたパイロット燃焼室４と、これに続くメイン燃焼室５と、パイロット燃焼室４の周囲に円筒状に形成されメイン燃焼室５に連続する予混合室６から構成さている。パイロット燃焼室４にはパイロット燃料系７からパイロット燃料供給弁８を介して燃料が供給され、入口に設けられたパイロット燃料吐出口７ａより燃料を吐出し、不図示の着火器により着火されて燃焼する。予混合室６には複数（本実施の形態では６本）のメイン燃料系９からメイン燃料供給弁１０を介して燃料が供給され、入口に設けられたメイン燃料吐出口９ａにより燃料を吐出し、空気と予混合した後メイン燃焼室５へ流入し、パイロット燃焼室４の燃焼炎により着火して燃焼する。本発明はメイン燃料吐出口９ａより吐出さた燃料が着火しない場合を検出する。
【００１８】
図３はタービン出力と燃焼器２に供給される燃料流量を示す図である。図の上部のａ，ｂ，ｃは各燃料吐出口７ａ，９ａが燃料を吐出している状態を示し、斜線で示す燃料吐出口７ａ，９ａが燃料を吐出していることを示す。直線Ｈは供給される全燃料流量を示し、直線Ｉはパイロット燃料系７から吐出している燃料流量を示す。直線Ｊはメイン燃料系９の１本当たりの吐出燃料流量を示し、タービン出力に応じて増加してゆくが、Ｋの領域で２本から４本に増加するので半分の流量になり、さらにＬの領域で４本から６本になるので２／３の流量になり増加してゆく。このようにメイン燃料系９で本数切り替え時流量を段階的に切り替えして、全燃料流量Ｈを連続的に供給する。
【００１９】
図４は燃料が正常に着火して燃焼している場合の燃焼ガスのタービン出口温度とタービン入口温度とを圧縮機入口の空気温度をパラメータとして表したもので、請求項３の第１手段に該当する。曲線Ａ〜Ｄは直線に近い曲線であり、図１のＥの位置における空気の温度をパラメータとし、Ａは０℃、Ｂは１５℃、Ｃは４０℃、Ｄは６０℃の場合を示す。タービン入口は図１のＦの位置、タービン出口はＧの位置である。
【００２０】
図５は燃料が正常に着火して燃焼している場合の供給された燃料流量と燃焼ガスのタービン入口温度とを圧縮機入口の空気温度をパラメータとして表したもので、請求項３の第２手段に該当する。曲線Ａ〜Ｄは直線に近い曲線であり、図１のＥの位置における空気の温度をパラメータとし、Ａは０℃、Ｂは１５℃、Ｃは４０℃、Ｄは６０℃の場合を示す。タービン入口は図１のＦの位置である。
【００２１】
次に着火検出方法を図３〜図５を用いて説明する。一例として図３の領域Ｋでｂに示すように、メイン燃料系９が２本より４本に増加して燃料を供給開始したときの、増加した２本より供給される燃料が着火されたかを検出する。計測値として圧縮機１入口の空気温度と、燃料流量Ｗfm、およびタービン出口の燃焼ガス温度Ｔomを用いる。圧縮機１の入口温度は４０℃とし、図４、図５の直線Ｃを用いる。図４によりタービン出口の燃焼ガス温度Ｔomから直線Ｃを用いてタービン入口の燃焼ガス温度Ｔic1 を得る。また、図５により燃料流量Ｗfmから直線Ｃを用いてタービン入口の燃焼ガス温度Ｔic2 を得る。Ｔic2 の方がＴic1 よりα℃高い場合、着火失敗と判定する。α℃は計測誤差を考慮して決められ、例えば５０℃が用いられる。
【００２２】
図５より得られるＴic2 は、現在の全燃料流量Ｗfmが全て着火して正常に燃焼している場合のタービン入口の燃焼ガス温度を表す。図４より得られるＴic1 は、タービン出口の現在の燃焼ガスの温度に対して供給された燃料が全て着火してし正常に燃焼している場合のタービン入口の燃焼ガス温度を表す。供給した燃料の一部に着火しない未燃焼の燃料が含まれると、タービン出口の燃焼ガスの温度はＴom低下する。この低下した燃焼ガス温度を正常に燃料が燃焼して生じたタービン出口の燃焼ガスの温度としＴic1 は求められている。低下したＴomにより求めたＴic1 は供給された燃料が正常に燃焼した場合に比べ低下する。故に、Ｔic2 とＴic1 を比較してＴic2 のほうが高ければ、供給された燃料またはその一部に未燃焼の燃料があると判断できる。なお、この場合、計測誤差によるα℃を考慮し、α℃の範囲内ならＴic2 はＴic1 と等しいとする。
【００２３】
図６は燃料流量とこの流量の燃料が全て着火して正常に燃焼しているときのタービン入口の燃焼ガス温度を示す。本図は図４と図５とからタービン入口の燃焼ガス温度を除去して得られたものである。本図を用いた着火検出方法の一例を示すと、圧縮機１の入口の空気温度を４０℃とすると、計測した燃料流量Ｗfmからこの燃料が全て燃焼しているときのタービン出口温度Ｔoc3 を求め、このＴoc3 と計測したタービン出口温度Ｔomを比較しＴoc3 のほうがＴomより大きければ、供給された燃料またはその一部に未燃焼の燃料があると判断できる。Ｔic3 は供給された燃料が全て燃焼しているときのタービン出口の燃焼ガスの温度であり、Ｔomは未燃焼の燃料があれば低い値となるので、着火不良を検出することができる。なお、この場合も計測誤差によるα℃を考慮し、α℃の範囲内ならＴic3 はＴomと等しいとする。
【００２４】
なお、図５を用いて燃料流量Ｗfmから求めたタービン入口の燃焼ガス温度Ｔic２とタービン入口の燃焼ガスの計測温度Ｔimとを比較しＴic2 の方が大きければ、着火不良と判断することができる。しかし、タービン入口の燃焼ガス温度は高温（例えば１２００℃）であるため計測が困難であることが多い。このため図４〜図６で示すような間接的な方法が用いられる。なお、図４、図５を作成するためにはタービン入口の燃焼ガスの温度測定が必要になるが、これらの測定は計測装置の整った所、例えば、ガスタービンの製作工場などで行う。
【００２５】
以上の説明は地上に設けられたガスタービンについて説明したが、航空用のガスタービンについても適用できる。航空用では、高度より圧縮機１の入口の空気の密度が変わるので、図４〜図６の場合の空気温度に加えて、空気圧力もパラメータとして追加する。
【００２６】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明は、燃料供給系統を複数系統に分け、負荷に応じて供給する系統を増加してゆく際、増加した系統により供給された燃料の着火の有無を、着火が行われた場合と着火しない場合のタービン入口の燃焼ガスの温度を比較することにより的確に検出することができる。また、同様な比較をタービン出口の燃焼ガスの温度を比較して、着火の有無を検出することができる。これにより、ステージング時に完全に吹き消えた場合は、エンジン異常でエンジンが停止されるが、一部だけ吹き消えた場合は、過剰に燃料を供給した状態でエンジンが運転されてしまい、未燃焼の燃料の後燃え等の不具合を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するガスタービンの構成例を示す図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ断面図である。
【図３】タービン出力と燃料流量との関係を示す図である。
【図４】タービン出口の燃焼ガス温度とタービン入口の燃焼ガス温度との関係を示す図である。
【図５】燃料流量とタービン入口の燃焼ガス温度との関係を示す図である。
【図６】燃料流量とタービン出口の燃焼ガス温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  圧縮機
２  燃焼器
３  タービン
４  パイロット燃焼室
５  メイン燃焼室
６  予混合室
７  パイロット燃料系
７ａ  パイロット燃料吐出口
８  パイロット燃料供給弁
９  メイン燃料系
９ａ  メイン燃料吐出口
１０  メイン燃料供給弁
【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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