(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のバーナーが近接して配置されているガスタービンの燃焼装置における火炎の光学式計測装置であって、
スワラーの背後に該スワラーの羽根の間から火炎が燃焼室の壁面に対面している個所を臨むよう配置され、かつ先端が斜めに切断されて特定の視野角を有するようにされた光ファィバープローブを備えてなることを特徴とする火炎の光学式計測装置。
【請求項２】
複数のバーナーが近接して配置されているガスタービンの燃焼装置における燃焼診断装置であって、
光学式計測手段と、分光手段と、光電変換素子と、演算処理手段とを備え、
前記光学式計測手段が、請求項１記載の光学式計測装置とされてなる
ことを特徴とする燃焼診断装置。
【請求項３】
前記演算処理手段が、火炎中に存在するラジカル自発光強度比と空燃比との関係をテーブルまたは関数の形態で保持してなることを特徴とする請求項２記載の燃焼診断装置。
【請求項４】
前記ラジカル自発光強度比が、ＯＨラジカル自発光強度とＣＨラジカル自発光強度との強度比、ＯＨラジカル自発光強度とＣ2ラジカル自発光強度との強度比またはＣＨラジカル自発光強度とＣ2ラジカル自発光強度との強度比であることを特徴とする請求項３記載の燃焼診断装置。
【請求項５】
請求項２、３または４記載の燃焼診断装置を備えてなることを特徴とする燃焼制御装置。
【請求項６】
前記燃焼制御装置が、空燃比制御手段と空気流量制御手段と燃料流量制御手段とを備え、
前記空燃比制御手段が、前記燃焼診断装置からの診断結果に基づいて各バーナーの空気量および／または燃料量を算出するとともに、前記空気流量制御手段および／または燃料流量制御手段の制御量を算出し、
前記空気流量制御手段が前記制御量に応じて各バーナーの空気流量を制御し、
前記燃料流量制御手段が前記制御量に応じて各バーナーの燃料流量を制御する
ことを特徴とする請求項５記載の燃焼制御装置。
【請求項７】
請求項１記載の火炎の光学式計測装置を用いた燃焼診断方法であって、
前記光学式計測装置により計測されたラジカル自発光強度に基づいて燃焼診断を行うことを特徴とする燃焼診断方法。
【請求項８】
前記ラジカル自発光強度を、予め作成されている燃焼状態を示す指標と照合することにより燃焼診断をなすことを特徴とする請求項７記載の燃焼診断方法。
【請求項９】
前記燃焼診断が、計測されたラジカル自発光からラジカル自発光相互の自発光強度比を求め、ついでその値により予め求められているラジカル自発光強度比と空燃比との関係から各バーナーの空燃比を算出するものであることを特徴とする請求項８記載の燃焼診断方法。
【請求項１０】
前記ラジカル自発光強度比が、ＯＨラジカル自発光強度とＣＨラジカル自発光強度との強度比、ＯＨラジカル自発光強度とＣ2ラジカル自発光強度との強度比またはＣＨラジカル自発光強度とＣ2ラジカル自発光強度との強度比であることを特徴とする請求項９記載の燃焼診断方法。
【請求項１１】
請求項７、８、９または１０記載の燃焼診断方法を用いて各バーナーの制御をなすことを特徴とする燃焼制御方法。
【請求項１２】
前記制御により各バーナーの空気流量および／または燃料流量が調節されることを特徴とする請求項１１記載の燃焼制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は燃焼診断方法および燃焼診断装置に関する。さらに詳しくは、複数の燃焼バーナーが近接して配置されている燃焼器における燃焼診断方法および燃焼診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンにおいては、近年、負荷調整の容易性やＮＯX低減等を目的として、マルチバーナータイプやマルチ缶タイプ（以下、単にマルチバーナータイプという）の燃焼器が多く採用されるようになってきている。このガスタービンを効率よく稼働させるためには、各バーナーの燃焼状態を把握する、すなわち燃焼診断する必要がある。かかる燃焼火炎の燃焼診断に関し、従来より、火炎に含まれる燃焼生成物の発光するスペクトルを光プローブ等により検出して燃焼状態を診断する方法が用いられている。
【０００３】
例えば、特公平２ー２７５７１号公報には、火炎に含まれる燃焼生成物ＯＨ、Ｃ3、ＣＨ、ＣＨ2Ｏ、ＣＨＯ、Ｃ2、スート、Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等の発光するスペクトルを対象として、２種類以上の波長に分けて分光測光し、少なくとも２つの波長において発光し、それぞれの波長に対する吸収係数の関係が判っている物質スート、Ｈ2Ｏ、ＣＯ2、Ｃ2を基準物質として選んで該基準物質のうちのいずれか１つの物質を２つの波長で測定し、上記基準物質の輝度を分析して火炎の温度と基準物質の発光率を求め、予め求めた燃焼状態を示す指標との関係式を用いて火炎の燃焼状態を診断することを特徴とする燃焼診断方法が提案されている。
【０００４】
また、かかる燃焼診断に基づいて燃焼器を制御する方法に関し、例えば、特開昭６３ー１０５２６２号公報には、吸気混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンな希薄混合気とした火花点火式内燃機関に、その燃焼室内における燃焼光を検出するための光センサーを設け、該光センサーの出力が失火限界の空燃比に対応する値になるように、吸気系における空燃比を調節するようにしたことを特徴とする希薄燃焼式内燃機関における空燃比の制御方法が提案されている。
【０００５】
しかるに、ガスタービンにおいては、コンプレッサー、燃焼器およびタービンが非常にコンパクトにまとめられているために、燃焼器に設けられているバーナーも近接して配置されている。そのため、それぞれのバーナーからの火炎は相互に干渉する場合が多々生ずる。
【０００６】
しかしながら、かかる相互に近接して配置されているバーナーにおける相互に干渉が生ずる火炎の燃焼診断に関しては、従来何らの提案もなされていない。したがって、それぞれのバーナーの燃焼状態が把握できず、それぞれのバーナーの燃焼状態に応じた制御がなし得ないという問題がある。
【０００７】
このように、従来は、それぞれのバーナーの燃焼状態が診断できないために、各バーナーを個別に制御する代わりに、総空気流量および／または総燃料流量の制御がなされているのみである。したがって、最適な制御がなし得ないという問題を生じている。すなわち、燃焼用空気は、スクロール形状等の影響により流速分布が不均一になるため、各バーナーに供給される空気量にアンバランスを生ずる場合がある。その結果、燃焼が不均一になり、最適燃焼状態から外れたものとなる。
【０００８】
また、従来の検出装置においては、光プローブが火炎に曝されることもままあるので、火炎の検知に用いられる光プローブが焼損するという問題も生じている。あるいは、火炎からの保護のために光プローブに対してが水冷等がなされているために、構造が複雑になっているという問題もある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、バーナーが近接して配置されているために、火炎相互に干渉が生ずる場合においても、各バーナーの燃焼状態を的確に診断できる燃焼診断方法および燃焼診断装置を提供することを主たる目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の火炎の光学式計測装置は、複数のバーナーが近接して配置されているガスタービンの燃焼装置における火炎の光学式計測装置であって、スワラーの背後に該スワラーの羽根の間から火炎が燃焼室の壁面に対面している個所を臨むよう配置され、かつ先端が斜めに切断されて特定の視野角を有するようにされた光ファィバープローブを備えてなることを特徴とする。また、本発明の燃焼診断装置は、複数のバーナーが近接して配置されているガスタービンの燃焼装置における燃焼診断装置であって、光学式計測手段と、分光手段と、光電変換素子と、演算処理手段とを備え、光学式計測手段が前記光学式計測装置とされてなることを特徴とする。
【００１１】
また、燃焼診断は、前記光学式計測手段の計測結果を、予め作成されている燃焼状態を示す指標と照合することによりなされる。ここでは、燃焼診断は、例えば、計測された火炎に含まれているラジカル自発光からラジカル自発光相互の自発光強度比を求め、ついでその値により予め求められているラジカル自発光強度比と空燃比との関係から各バーナーの空燃比の算出がなされる。
【００１２】
その際、前記ラジカル自発光強度比が、ＯＨラジカル自発光強度とＣＨラジカル自発光強度との強度比、ＯＨラジカル自発光強度とＣ2ラジカル自発光強度との強度比またはＣＨラジカル自発光強度とＣ2ラジカル自発光強度との強度比であるのが好ましい。
【００１３】一方、本発明の燃焼診断方法は、前記の火炎の光学式計測装置を用いた燃焼診断方法であって、前記光学式計測装置により計測されたラジカル自発光強度に基づいて燃焼診断を行うことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の燃焼診断装置においては、前記演算処理手段は、火炎中に存在するラジカル自発光強度比と空燃比との関係をテーブルまたは関数の形態で保持している。ここで、前記ラジカル自発光強度比としては、例えば、ＯＨラジカル自発光強度とＣＨラジカル自発光強度との強度比、ＯＨラジカル自発光強度とＣ2ラジカル自発光強度との強度比またはＣＨラジカル自発光強度とＣ2ラジカル自発光強度との強度比が用いられる。
【００１５】
【作用】
バーナーが近接して配置されている燃焼器の各バーナーの火炎を、他のバーナーの火炎に影響が少ない箇所、例えば火炎の壁面に対面している箇所について、火炎からの自発光を光学式計測手段、例えば光ファイバープローブにより計測し、得られた光を分光分析する。この分光分析により得られた各ラジカル自発光（ＯＨラジカル、ＣＨラジカル、Ｃ2ラジカル）の発光強度比の変化から、各バーナーあるいは各缶における局所空燃比に関する指標を算出して、この指標を予め規定されている関係と照合、例えば発光強度比と空燃比との関係のグラフと照合して燃焼診断、例えば計測されたバーナーの空燃比の算出を行う。
【００１６】
【実施例】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はかかる実施例のみに限定されるものではない。
【００１７】
図１に本発明の燃焼診断方法に用いる燃焼診断装置のブロック図を示す。図１に示す燃焼診断装置は、光学式計測手段１と分光手段たる分光器２と光電変換素子３と演算処理装置４とを主要構成要素としている。
【００１８】
光学式計測手段１は、ＯＨラジカル、ＣＨラジカル、Ｃ2ラジカル等からのラジカル自発光を検知あるいは計測するもので、例えば光ファイバープローブが用いられる。ここでは、この光ファイバープローブ１を例にとり説明するが、これに限定されるものではない。本実施例においては、光ファイバープローブ１は、火炎により焼損されるのを避けるために、図２に示すように、例えばスワラー５の背後に配置されて、予混合燃料ノズル６に取付けられている。このため、光ファイバープローブ１は、スワラー５の羽根の間から火炎が臨めるよう、図３に示すように、その先端部１ａが斜めに切断されて特定の視野角を有するようにされている。また、この光ファイバープローブ１には、その機械的強度を確保するために、図３に示すように、耐熱性の保護管７、例えばステンレス鋼管からなる保護管７が装着されている。この保護管７の先端部の所定箇所には、前記所定の視野角に対応させた測定用７ａ窓が設けられている。そして、この光ファイバープローブ１が臨む火炎の位置は、隣接するバーナーの火炎からの影響ができるだけ少ない箇所とされる。具体的には、例えば、火炎が、燃焼室の壁面に対面している箇所とされる。このように本実施例では、光ファイバープローブをスワラーの背後に配置しているので、光ファイバープローブは火炎に曝されることがない。そのため、冷却設備等が不要になり装置の構成を簡素化できる。
【００１９】
この光ファイバープローブ１により検知された光は、光ファイバーケーブルにより分光器２に導かれ、例えばＯＨラジカル自発光、ＣＨラジカル自発光、Ｃ2ラジカル自発光に分光される。なお、この分光器２の構成の詳細な説明は省略するが、従来よりこの種の分光に用いられている公知のものとされている。
【００２０】
しかして、この分光器２により分光された光は、さらに光ファイバーケーブルにより光電変換素子３に導かれ電気信号に変換されるとともに増幅されて演算処理装置４に導かれる。ここで、光電変換素子３としては、例えば光電子増倍管が用いられる。
【００２１】
演算処理装置４は、予め格納されている燃焼診断プログラムにより、検知されたラジカル自発光の強度に基づいて、燃焼診断用の指標を作成して当該バーナーの空燃比を算出し燃焼状態を診断する。例えば、演算処理装置４には、図４に示すような、ＯＨラジカル自発光強度とＣＨラジカル自発光強度との強度比、ＯＨラジカル自発光強度とＣ2ラジカル自発光強度との強度比、およびＣＨラジカル自発光強度とＣ2ラジカル自発光強度との強度比と空燃比との関係がテーブルあるいは関数として予め格納されており、このテーブルあるいは関数により、入力されたラジカル自発光強度に基づいてラジカル自発光相互の強度比を算出して、各バーナーの運転状態における空燃比が算出される。
【００２２】
図５に、かかる燃焼診断装置を用いてなる燃焼制御装置のブロック図が示されている。図５に示す燃焼制御装置は、前記燃焼診断装置から各バーナーの運転状態の空燃比が入力され、その値により空気および燃料の制御量を算出する空燃比制御装置２１と、その制御量に基づいて各バーナーの空気量を制御する空気流量調節装置２２と、各バーナーの燃料量を調節する燃料流量調節装置２３とを主要構成要素としている。
【００２３】
空燃比制御装置２１としては、例えばコンピュータが用いられる。そして、このコンピュータ２１には、前記燃焼診断装置から各バーナーの運転状態の空燃比が入力され、その値により空気および燃料の制御量を算出するプログラムおよび制御に必要な所要プログラムが格納されている。
【００２４】
空気流量調節装置２２は、例えば空気流量調節用空気流路可変機構２２１と、この可変機構２２１を操作する可変機構制御ユニット２２２からなる。この可変機構制御ユニット２２２は、空燃比制御装置２１から指示された空気流量に対応した空気流路可変機構２２１を調節する。
【００２５】
燃料流量調節装置２３は、例えば燃料流量調節バルブ２３１とこのバルブ２３１を操作するバルブ制御ユニット２３２からなる。このバルブ制御ユニット２３２は、空燃比制御装置２１から指示された燃料流量に対応した開度にバルブ２３１を調節する。
【００２６】
このように、本制御装置によれば、各バーナーの運転状態における空燃比をフィードバックしながら、各バーナー毎に燃料流量および空気流量を制御しているので、各バーナーを最適な空燃比で燃焼させることができる。
【００２７】
以上、本発明を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施例のにみ限定されるものではなく、種々の改変が可能である。例えば、燃焼診断装置を図６に示すように構成して、光電変換素子の個数を減らすこともできる。かかる構成とすれば、高価な光電変換素子の個数を減らすことができ、燃焼診断装置のコストを低減できる。なお、図６において、３１は分波器、３２は回転フィルター、３３は合波器、３４は光電変換素子、３５はＦＦＴアナライザーを示す。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば複数のバーナーが密接して配置されている燃焼器においても、各バーナーの運転状態における燃焼状態を的確に診断することができるという優れた効果が得られる。
【００２９】
また、本発明の燃焼診断結果により各バーナーを制御すれば、各バーナーを最適な空燃比により燃焼させることができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃焼診断方法に用いる燃焼診断装置の一実施例のブロック図である。
【図２】光ファイバープローブの設置場所の説明図である。
【図３】光ファイバープローブの説明図である。
【図４】ラジカル自発光強度比と空燃比との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の燃焼診断装置を用いた燃焼制御装置のブロック図である。
【図６】本発明の燃焼診断方法に用いる燃焼診断装置の他の例のブロック図である。
【符号の説明】
１            光学式計測手段（光ファイバープローブ）
２            分光手段（分光器）
３            光電変換素子
４            演算処理手段（演算処理装置）
【図１】
0003559868.tif 000002
【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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