(57)【要約】【課題】起動時にも低ＮＯｘ化が可能となり、ドレン水処理設備を小型化できる蒸気注入ガスタービンを提供する。【解決手段】空気を圧縮して高圧の燃焼用空気を生成する圧縮機と、前記燃焼用空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動するタービンとを備え、前記燃焼器に蒸気を注入する蒸気注入ガスタービンであって、前記蒸気の注入系統は２系統に分岐されていて、前記第１の蒸気系統の蒸気流量と前記第２の蒸気系統の蒸気流量とを個別に制御可能な流量制御機構と、蒸気注入開始時に前記燃焼器内に流入するドレン水の量を検出するドレン量検出手段とを備え、前記流量制御機構は、前記ドレン量検出手段が検出した前記ドレン水の量の信号を基に、前記２系統の蒸気流量を制御することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮して高圧の燃焼用空気を生成する圧縮機と、
前記燃焼用空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動するタービンとを備え、前記燃焼器に蒸気を注入する蒸気注入ガスタービンであって、
前記蒸気の注入系統は２系統に分岐されていて、
前記燃焼器における前記燃焼ガスの流れに対して火炎帯の上流側において、噴射した蒸気の大部分が前記燃焼用空気または前記燃料と混合する位置に前記蒸気を注入する第１の蒸気系統と、
前記燃焼器における前記燃焼ガスの流れに対して火炎帯の下流側において、噴射した蒸気の大部分が前記燃焼ガスと混合し、残りの一部分の前記蒸気が前記燃焼ガスの流れに対して火炎帯の上流側において、前記燃焼用空気と混合する位置に蒸気を注入する第２の蒸気系統と、
前記第１の蒸気系統の蒸気流量と前記第２の蒸気系統の蒸気流量とを個別に制御可能な流量制御機構と、
蒸気注入開始時に前記燃焼器内に流入するドレン水の量を検出するドレン量検出手段とを備え、
前記流量制御機構は、前記ドレン量検出手段が検出した前記ドレン水の量の信号を基に、前記２系統の蒸気流量を制御する
ことを特徴とする蒸気注入ガスタービン。
【請求項２】
請求項１に記載の蒸気注入ガスタービンにおいて、
前記流量制御機構は、前記燃焼器への蒸気注入開始時には、前記第２の蒸気系統の蒸気を注入し、前記ドレン量検出手段の検出したドレン水の量が無くなったことを確認した後に、前記第１の蒸気系統の蒸気を注入開始する
ことを特徴とする蒸気注入ガスタービン。
【請求項３】
請求項１または２に記載の蒸気注入ガスタービンにおいて、
前記燃焼器は、前記第１の蒸気系統からの第１の蒸気を噴射する複数の蒸気ノズルと、
前記複数の蒸気ノズルのそれぞれと連通する蒸気ヘッダと、
前記蒸気ヘッダの最下部と連通する水噴霧ノズルとを備え、
前記水噴霧ノズルの出口は、前記燃焼用空気の流れにおいて火炎帯よりも上流側の位置に開口している
ことを特徴とする蒸気注入ガスタービン。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蒸気注入ガスタービンにおいて、
前記ドレン量検出手段は、前記燃焼器のメタル温度を計測するメタル温度計測手段と、前記メタル温度計測手段が計測した前記燃焼器のメタル温度を基に前記ドレン水の量を演算する演算部とを備えた
ことを特徴とする蒸気注入ガスタービン。
【請求項５】
請求項４に記載の蒸気注入ガスタービンにおいて、
前記燃焼器は、前記燃焼用空気と前記燃料を燃焼させる燃焼室を形成する燃焼器ライナと、前記燃焼器ライナの中に前記燃料を噴射するバーナとを備え、
前記ドレン量検出手段の前記メタル温度計測手段は、前記バーナのメタル温度と前記燃焼器ライナのメタル温度の少なくとも１つのメタル温度を計測する
ことを特徴とする蒸気注入ガスタービン。
【請求項６】
請求項３に記載の蒸気注入ガスタービンにおいて、
前記ドレン量検出手段は、前記燃焼器のメタル温度を計測するメタル温度計測手段と、前記メタル温度計測手段が計測した前記燃焼器のメタル温度を基に前記ドレン水の量を演算する演算部とを備え、
前記燃焼器は、前記燃焼用空気と前記燃料を燃焼させる燃焼室を形成する燃焼器ライナと、前記燃焼器ライナの中に前記燃料を噴射するバーナとを備え、
前記ドレン量検出手段の前記メタル温度計測手段は、前記バーナのメタル温度と前記燃焼器ライナのメタル温度と前記水噴霧ノズルのメタル温度の少なくとも１つのメタル温度を計測する
ことを特徴とする蒸気注入ガスタービン。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれか１項に記載の蒸気注入ガスタービンにおいて、
前記ドレン量検出手段は、注入する前記蒸気の飽和温度を算出する飽和蒸気温度演算部を備え、
前記飽和蒸気温度演算部が算出した前記蒸気の飽和温度と前記メタル温度を基に前記ドレン水の量を演算する演算部とを備えた
ことを特徴とする蒸気注入ガスタービン。
【請求項８】
請求項７に記載の蒸気注入ガスタービンにおいて、
前記ドレン量検出手段は、蒸気注入する直前の前記メタル温度を記憶する信号保持記憶部を備え、
前記信号保持記憶部が記憶したメタル温度と、前記蒸気の飽和温度と前記メタル温度を基に前記ドレン水の量を演算する演算部とを備えた
ことを特徴とする蒸気注入ガスタービン。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の蒸気注入ガスタービンにおいて、
前記第１の蒸気系統または前記第２の蒸気系統の蒸気注入開始からの時間を計測するタイマー演算部を備え、
前記タイマー演算部からの信号および前記ドレン量検出手段からの信号に基づいて、前記２系統の蒸気流量を制御する
ことを特徴とする蒸気注入ガスタービン。
【請求項１０】
空気を圧縮して高圧の燃焼用空気を生成する圧縮機と、
前記燃焼用空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動するタービンと、
前記燃焼器における前記燃焼ガスの流れに対して火炎帯の上流側において、噴射した蒸気の大部分が前記燃焼用空気または前記燃料と混合する位置に前記蒸気を注入する第１の蒸気系統と、
前記燃焼器における前記燃焼ガスの流れに対して火炎帯の下流側において、噴射した蒸気の大部分が前記燃焼ガスと混合し、残りの一部分の前記蒸気が前記燃焼ガスの流れに対して火炎帯の上流側において、前記燃焼用空気と混合する位置に蒸気を注入する第２の蒸気系統と、
前記第１の蒸気系統の蒸気流量と前記第２の蒸気系統の蒸気流量とを個別に制御可能な流量制御機構と、
蒸気注入開始時に前記燃焼器内に流入するドレン水の量を検出するドレン量検出手段とを備えた蒸気注入ガスタービンの制御方法であって、
前記流量制御機構は、前記燃焼器への蒸気注入開始時には、前記第２の蒸気系統の蒸気を注入する手順と、
前記ドレン量検出手段の検出したドレン水の量が無くなったことを確認した後に、前記第１の蒸気系統の蒸気を少量注入開始する手順と、
前記第１の蒸気系統の蒸気の注入開始後に、前記ドレン量検出手段の検出したドレン水の量の信号を基に、前記第１の蒸気系統の蒸気流量の制御を開始する手順とを備えた
ことを特徴とする蒸気注入ガスタービンの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気注入ガスタービンに係り、更に詳しくは、ガスタービンの排熱から生成した蒸気の一部をガスタービンに注入する蒸気注入ガスタービン及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンから排出されるＮＯｘの低減方法として、ガスタービンの排ガスの熱エネルギで蒸気を生成し、生成した蒸気を燃焼器に注入することで火炎温度を低下させ、サーマルＮＯｘの生成を抑制する方法がある。また、ガスタービンの出力を増加させることを目的として、生成した蒸気を燃焼器に注入するシステムがある。
【０００３】
特許文献１には、燃焼器への蒸気注入系統を２系統備え、燃焼器における燃焼ガスの流れに対して火炎帯の上流側に蒸気を注入する第１蒸気系統と、火炎帯の下流側に蒸気を注入する第２蒸気系統とを備え、燃料の流量及び組成に応じて第１蒸気系統の蒸気流量を制御し、蒸気消費設備で必要な蒸気要求流量に応じて第２蒸気系統の蒸気流量を制御する蒸気注入ガスタービンの発明が開示されている。
【０００４】
この蒸気注入ガスタービンにおいては、第１蒸気系統の蒸気注入が上述したＮＯｘ低減効果を奏し、第２蒸気系統の蒸気注入が出力増加の効果を奏する。しかし、このような蒸気注入ガスタービンの起動時には、蒸気注入が開始された直後に低温の蒸気配管系統で、蒸気が凝縮されてドレン水になる場合がある。このドレン水が蒸気噴射ノズルから火炎中に噴出すると、燃焼の安定性を損ねる可能性が生じる。
【０００５】
特許文献２には、発電プラントの起動時において、蒸気噴射配管系統内に発生するドレンを積極的に排除し、安定した燃焼運転特性が得られるようにした複合サイクル発電プラントにおける蒸気噴射系統の制御方法及びその装置を提供することを目的として、ガスタービン装置の起動に先立って、別置の補助ボイラの蒸気を供給することで蒸気配管系統を暖機しつつ、ドレン水を補助蒸気の圧力で系外へ排出する発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１７３５７２号公報
【特許文献２】特公平７−３０６８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、従来の蒸気注入ガスタービンにおいて、起動時の発生ドレン水を系外へ排出する方法を採用すると、蒸気注入系統の暖機が完了するまでの間は、注入した蒸気がドレン水となって排出される。このことにより、火炎帯に蒸気が供給されないので、低ＮＯｘ効果が小さくなる。また、排出されたドレン水を処理するための設備が別途必要となることも、課題として挙げられる。
【０００８】
本発明は、上述した事柄に基づいてなされたものであって、その目的は、起動時にも低ＮＯｘ化が可能となり、ドレン水処理設備を小型化できる蒸気注入ガスタービンおよびその制御方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、空気を圧縮して高圧の燃焼用空気を生成する圧縮機と、前記燃焼用空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動するタービンとを備え、前記燃焼器に蒸気を注入する蒸気注入ガスタービンであって、前記蒸気の注入系統は２系統に分岐されていて、前記燃焼器における前記燃焼ガスの流れに対して火炎帯の上流側において、噴射した蒸気の大部分が前記燃焼用空気または前記燃料と混合する位置に前記蒸気を注入する第１の蒸気系統と、前記燃焼器における前記燃焼ガスの流れに対して火炎帯の下流側において、噴射した蒸気の大部分が前記燃焼ガスと混合し、残りの一部分の前記蒸気が前記燃焼ガスの流れに対して火炎帯の上流側において、前記燃焼用空気と混合する位置に蒸気を注入する第２の蒸気系統と、前記第１の蒸気系統の蒸気流量と前記第２の蒸気系統の蒸気流量とを個別に制御可能な流量制御機構と、蒸気注入開始時に前記燃焼器内に流入するドレン水の量を検出するドレン量検出手段とを備え、前記流量制御機構は、前記ドレン量検出手段が検出した前記ドレン水の量の信号を基に、前記２系統の蒸気流量を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、蒸気注入ガスタービンの起動時に、燃焼の安定性を維持しつつ低ＮＯｘ化を図ることができる。また、ドレン水処理設備を小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態を用いた熱電可変型コジェネレーションシステムの全体構成の一例を示すシステムフロー図である。
【図２】本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態における起動時のバーナメタル温度の挙動を示す特性図である。
【図３】本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態における起動時のドレン検出回路の一例を示すブロック図である。
【図４】本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態を構成する制御器の構成内容を示すブロック図である。
【図５】本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態を構成する第１の蒸気流量指令演算部における燃料流量に対する第１蒸気量の出力特性を示す特性図である。
【図６】本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態を構成する第１の蒸気流量指令演算部におけるＩＧＶ開度に対する第１蒸気量の出力特性を示す特性図である。
【図７】本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態を構成する第１の蒸気流量指令演算部における回転数に対する第１蒸気量の出力特性を示す特性図である。
【図８】本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態を構成する第１の蒸気流量指令演算部における第２蒸気量に対する第１蒸気量の出力特性を示す特性図である。
【図９】本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態を構成する第２の蒸気流量指令演算部における蒸気圧力に対する第２蒸気量の出力特性を示す特性図である。
【図１０】本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態を構成する第２の蒸気流量指令演算部における圧力比に対する第２蒸気量の出力特性を示す特性図である。
【図１１】本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第２の実施の形態の構成の一例を示すシステムフロー図である。
【図１２】本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第３の実施の形態の構成の一例を示すシステムフロー図である。
【図１３】本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第４の実施の形態の構成の一例を示すシステムフロー図である。
【図１４】本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第４の実施の形態の構成の他の例を示すシステムフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の実施の形態を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態を用いた熱電可変型コジェネレーションシステムの全体構成の一例を示すシステムフロー図である。図１に示すように、熱電可変型コジェネレーションシステムは、主として、蒸気注入ガスタービン４と排熱回収ボイラ５と蒸気系統３００とから構成されている。
【００１４】
このうち、蒸気注入ガスタービン４は、主として、空気１００を圧縮して高圧の燃焼用空気１０１を生成する圧縮機１と、この圧縮機１から導入される燃焼用空気１０１と燃料系統２００からの燃料２０１とを燃焼させて燃焼ガス１０６を生成する複数の燃焼器２と、この燃焼器２で生成された燃焼ガス１０６が導入されるタービン３とから構成されている。
【００１５】
タービン３は、ガスジェネレータ３ａとパワータービン３ｂとに分かれていて、ガスジェネレータ３ａは軸２１ａによって圧縮機１と連結し、圧縮機１を駆動する。一方、パワータービン３ｂは軸２１ｂによって発電機２０と連結し、発電機２０を駆動する。
【００１６】
燃焼器２は、燃焼器ケーシング７および燃焼器カバー８内に格納されている。燃焼器ケーシング７はタービンケーシング２３に取付けられている。燃焼器２の上流端の中央には、燃料ノズル９が挿入されていて、その下流には未燃の空気と既燃の燃焼ガスを隔てる概略円筒状の燃焼器ライナ１０が配置されている。また、燃焼器ライナ１０の外周側にはライナフロースリーブ１１が設けられている。ライナフロースリーブ１１は概略円筒状で、燃焼器ライナ１０と概略同軸となるように燃焼器ケーシング７に締結されている。
【００１７】
燃焼器ライナ１０の下流には、燃焼ガスをタービン３へと導く尾筒１２が設けられている。燃焼器ライナ１０の下流端は、尾筒１２の上流端に差し込まれている。尾筒１２の外側には尾筒フロースリーブ１３が設けられている。ライナフロースリーブ１１の下流端は、尾筒フロースリーブ１３の上流端に差し込まれている。
【００１８】
燃料ノズル９の軸中心の下流端には、メタル温度を検出する熱電対２７が設けられている。熱電対２７が検出したメタル温度信号は、後述する制御器４００に入力される。
【００１９】
圧縮機１の入口には、その開度を調整することで、空気１００の吸込み流量を調整する入口案内翼（ＩＧＶ）が設けられている。入口案内翼（ＩＧＶ）にはその開度を検出する開度検出器１９が設けられている。開度検出器１９が検出した信号は、後述する制御器４００に入力される。
【００２０】
圧縮機１から出た高圧の燃焼用空気１０１は、タービンケーシング２３内の空間から、尾筒１２と尾筒フロースリーブ１３の間の空間にタービン側（下流側）の開口部から流入する。そして、燃焼器ライナ側（上流側）へ流れる際に尾筒１２を外側から冷却する。その後、燃焼器ライナ１０とライナフロースリーブ１１の間の概略円環状の空間を通って、燃焼器上流側へ向かって流れる。その際、燃焼器ライナ１０を外側から冷却する。
【００２１】
また、一部の空気（１０２）はライナ冷却空気として、燃焼器ライナ１０に設けられた冷却孔から燃焼器ライナ１０内へ流入し、フィルム冷却に使用される。別の一部の空気（１０３）は希釈空気として、燃焼器ライナ１０に設けられた複数の希釈孔１４から燃焼器ライナ１０内へ流入し、燃焼ガス１０５と混合して尾筒１２内へと流入する。
【００２２】
さらに、別の一部の空気（１１０）は２次燃焼空気として、燃焼器ライナ１０に設けられた複数の燃焼孔３０から燃焼器ライナ１０内へ流入し、燃焼空気１０４で燃焼しきれなかった燃料と共に燃焼に使用される。
【００２３】
残りの空気（１０４）は燃焼空気として、燃料ノズル９の外周に設けた旋回器１７から燃焼器ライナ１０内に流入し、燃料ノズル９から噴出される燃料とともに燃焼に使用される。このとき燃料流量が多い場合は、噴出された燃料の全てが燃焼空気１０４では燃焼しきれないので、下流側で上述した２次燃焼空気１１０とともに燃焼する。
【００２４】
そして高温の燃焼ガス１０５となり、さらにライナ冷却空気１０２及び希釈空気１０３と混合して、燃焼ガス１０６となってタービン３へと送られる。燃焼ガス１０６はタービン３のガスジェネレータ３ａを駆動した後に、ガスジェネレータ排気ガス１０７として、パワータービン３ｂへと送られる。パワータービン３ｂを出た低圧のタービン排ガス１０８は、排熱回収ボイラ５で熱回収された後、排気ガス１０９として排気される。
【００２５】
ここで、圧縮機１には、吸込み空気圧力と吐出空気圧力の差圧（圧力比）を検出する差圧検出器４６５と吐出空気圧力を検出する圧力検出器４６２と圧縮機の回転数を検出する圧縮機回転数検出器２２とが設けられている。差圧検出器４６５と圧力検出器４６２と圧縮機回転数検出器２２とが検出した各種信号は、後述する制御器４００に入力される。
【００２６】
ガスタービンの燃料系統２００には、燃料流量調整弁２０２と、燃料２０１の流量を検出する燃料流量計２０３が設けられていて、燃料流量を調整することで蒸気注入ガスタービン４の発電出力を調整できる。なお、燃料流量計２０３が検出した信号は、後述する制御器４００に入力される。
【００２７】
次に、蒸気系統について説明する。  
排熱回収ボイラ５は、給水加熱器２４、ボイラ２５、蒸気過熱器２６から構成され、発生した蒸気は、蒸気供給系統３００を介して蒸気消費設備６で消費される。蒸気消費設備６としては、工場などの熱源を必要とする設備が考えられる。蒸気消費設備６へ蒸気を供給するためのプロセス蒸気配管３０３には、プロセス蒸気流量調節弁３１３が設けられていて、送気蒸気量を制御している。
【００２８】
排熱回収ボイラ５から発生した蒸気の圧力を検出する蒸気圧力計３０５と蒸気の温度を検出する蒸気温度計３０６が、排熱回収ボイラ５からの主配管に設けられている。また、排熱回収ボイラ５で発生させた蒸気を必要に応じて大気に放出するために、蒸気放出系統３０４が設けられている。蒸気放出系統３０４の配管には、蒸気放出弁３１４が設けられていて、放出蒸気量を制御している。蒸気圧力計３０５と蒸気温度計３０６とが検出した各種信号は、後述する制御器４００に入力される。
【００２９】
一方、排熱回収ボイラ５で発生した蒸気量が蒸気消費設備６で必要な蒸気量を上回った場合、余剰の蒸気は蒸気注入ガスタービン４に注入することができる。本実施の形態においては、燃焼器２へ蒸気を注入している。このように余剰の蒸気をガスタービンに注入して、発電機２０の出力を増加させることで熱電比を可変とするのが、熱電可変コジェネレーションシステムである。
【００３０】
本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態においては、この注入蒸気系統を第１の蒸気系統３０１と、第２の蒸気系統３０２の２系統に分けている。また、それぞれの系統には、第１蒸気流量調節弁３１１と第２蒸気流量調節弁３１２が設けられ、各流量が調節できるようになっている。第１蒸気流量調節弁３１１と第２蒸気流量調節弁３１２とには、後述する制御器４００からそれぞれ開度指令が出力されている。
【００３１】
第１の蒸気系統３０１は、一端側を蒸気供給系統３００に接続し、他端側を燃焼器カバー８に設けられた蒸気フランジ３５１に接続した蒸気配管３２１を備え、蒸気配管３２１に第１蒸気流量調節弁３１１が設けられている。第１の蒸気系統３０１の内部を通過する第１の蒸気３３１は、燃焼器カバー８に設けられた蒸気ノズル３５２から燃焼器２の内部へ噴射される。
【００３２】
第１の蒸気３３１の噴射位置は、燃焼ガス１０５の流れに対して火炎帯の上流側であって、噴射した蒸気の大部分が燃焼空気１０４または燃料２０１と混合する位置になっている。より具体的には、燃焼器ライナ１０の外側であって、燃焼器ケーシング７と燃焼器カバー８と燃焼器ライナ１０で囲まれた空間に噴射されている。
【００３３】
この位置における燃焼空気１０４は、高圧の燃焼用空気１０１がライナ冷却空気１０２や希釈空気１０３と分岐した後の空気であり、大部分が燃料との燃焼に消費されるため、この位置で燃焼空気１０４に混合された第１の蒸気３３１は火炎帯の温度を下げる効果が大きく、低ＮＯｘ化に寄与する度合いが大きい。
【００３４】
第２の蒸気系統３０２は、一端側を蒸気供給系統３００に接続し、他端側を燃焼器ケーシング７に設けられた蒸気注入ポート１５に接続した蒸気配管３２２を備え、蒸気配管３２２に第２蒸気流量調節弁３１２が設けられている。第２の蒸気系統３０２の内部を通過する第２の蒸気３３２は、まず、燃焼器ケーシング７とライナフロースルーブ１１の間の概略円環状の空間を流れる。この空間とタービンケーシング２３内の空間は、隔壁１８によって隔てられている。このことによって、燃焼器に流入した蒸気とタービンケーシング２３内の圧縮空気の混合が抑制されている。また、蒸気がライナフロースリーブ１１の外周側で周方向の全域に流れる。そのため、燃焼器ケーシング７１つに対して、蒸気注入ポート１５が１箇所であっても、燃焼器周方向の湿分の均一化を図ることができる。
【００３５】
ライナフロースリーブ１１には、蒸気注入孔１６が周方向に複数個設けられている。また、これらのうちの全部または一部は、燃焼器ライナ１０に設けられた希釈孔１４の全部または一部と対向している。このうち希釈孔１４と対向している蒸気注入孔１６を通過した蒸気は、その大部分が希釈孔１４を通って燃焼器ライナ１０の内部に流入する。したがって、第２の蒸気３３２の大部分である３３２ａは燃焼ガスの流れに対して火炎帯の下流側において、燃焼ガスと燃焼後に混合する。
【００３６】
噴射した蒸気は燃焼後の燃焼ガス１０５や希釈空気１０３と混合するため、火炎帯へは直接影響を及ぼさない。したがって、燃焼の安定性に影響することなく、燃焼器２へ余剰蒸気を噴射して出力を増加させることができる。また、この噴射位置は、タービンよりも上流側であるため、蒸気の持つエネルギをタービン３にて有効に動力に変換できる。
【００３７】
また、燃焼ガス１０５がタービンへ流入する際には蒸気と混合して温度が低下するため、同じ出力であれば尾筒１２やタービン３のメタル温度を下げることができて、信頼性や寿命が向上する。また、蒸気混合分の燃料流量を増加させることができるため、同じタービン流入温度であれば、蒸気が混合した分、出力や効率を向上させることができる。
【００３８】
次に、本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態における蒸気流量の制御方法について図２および図３を用いて説明する。図２は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態における起動時のバーナメタル温度の挙動を示す特性図、図３は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態における起動時のドレン検出回路の一例を示すブロック図である。
【００３９】
まず、２段階でドレン量を検出しながら行う２つの蒸気系統の暖機に伴う蒸気流量の制御方法について説明し、その後、ドレンの排出が完了した後の蒸気流量の制御方法を説明する。  
蒸気注入ガスタービン４が起動して、図１に示すタービン排ガス１０８が排熱回収ボイラ５に送られると、蒸気が発生し始める。蒸気圧力計３０５の検出する圧力が予め定めた圧力よりも大きくなると、まず、第２の蒸気系統３０２の第２蒸気流量調節弁３１２を開動作させて、燃焼器２への蒸気注入を開始する。また、蒸気消費設備６へのプロセス蒸気流量調節弁３１３を開動作させて、蒸気消費設備６への送気を開始する。送気が開始されると、蒸気圧力計３０５の検出する圧力が低下する。
【００４０】
この蒸気圧力を所定の圧力に維持しようとして、ガスタービン負荷指令値または回転数指令値が大きくなり、燃料流量調整弁２０２がさらに開く。こうして、蒸気圧力を一定にすることを制御目標にして燃料流量を制御する場合には、熱電可変型コジェネレーションシステムにおける熱優先の蒸気制御となる。この場合、発電量２０は変化するため、電力消費量との差分は電力系統からの送電量にて調節することになる。
【００４１】
一方、熱電可変型コジェネレーションシステムが電力系統に接続していない場合など、熱よりも電力の制御を優先する場合には、電力要求指令値が大きくなった場合に燃料流量が増加して、蒸気圧力が高くなる。蒸気圧力が高くなると、蒸気消費設備６で使用できる最大蒸気量も大きくなる。なお、ここでは、燃焼器２への蒸気注入開始の信号として、蒸気圧力を一例として説明したが、これに限るものではない。例えば、予め設定した燃料流量，発電量，圧縮機回転数などを利用してもよい。
【００４２】
ところで、燃焼器２への蒸気注入開始時には、第２の蒸気配管３２２の温度が低いため、蒸気の熱が奪われて、一部の蒸気が第２の蒸気配管３２２内でドレン水となる。発生したドレン水は蒸気注入ポート１５から燃焼器内に流入し、蒸気や空気の流れに乗って流れ、燃焼器ライナ１０の外壁面や燃料ノズル９の壁面に付着する。ドレン水が付着すると燃焼器ライナ１０や燃料ノズル９のメタル温度が低下する。本実施の形態においては、燃料ノズルメタル温度検出手段として、燃料ノズル９の軸中心下流端に熱電対２７を設置してバーナメタル温度を計測している。
【００４３】
このような起動時のメタル温度の挙動について説明する。図２において、横軸は時間を示し、縦軸はバーナメタル温度を示している。時刻ｔ０は起動時を示し、時刻ｔ１は蒸気注入を開始した時刻を示す。図２に示すように、起動にしたがって燃焼器２への蒸気注入が無い状態でも、バーナメタル温度Ｔは時間とともに上昇する傾向がある。
【００４４】
時刻ｔ１において、バーナメタル温度ＴがＴ１のときに蒸気注入を開始すると、ドレン水がバーナ９に付着することでバーナメタル温度Ｔは低下し、Ｔ１から飽和温度であるＴ０になる。
【００４５】
時刻ｔ１の後、しばらくの間時刻ｔ２まで、バーナメタル温度ＴはＴ０で推移するが、時刻ｔ２以降バーナメタル温度Ｔは再び上昇を始める。これは、第２の蒸気配管３２２の温度が上昇してドレン水の流入が少なくなることと、最初に流入したドレン水が流下したり、蒸発したりして、燃料ノズル９からドレン水が無くなったためである。したがって、バーナメタル温度Ｔの計測によってドレン水の有無を検出できる。
【００４６】
このような起動時のドレン検出回路の一例を図３を用いて説明する。このドレン検出回路４５０は、本実施の形態においては、制御器４００に含まれる１つの回路である。上述したバーナメタル温度からドレン水が無くなったことを判定し、次の蒸気注入の開始を許可する信号（第１の蒸気系統３０１の第１蒸気流量調節弁３１１を開動作させて、燃焼器２への蒸気注入の開始を許可する信号）を出力するための回路である。
【００４７】
図３に示すように、ドレン検出回路４５０は、信号保持演算部４５１と、飽和蒸気温度演算部４５２と、ドレン検出演算部４５３と、タイマー演算部４５４と、論理積演算部４５５とを備えている。また、ドレン検出回路４５０は、蒸気注入を開始したときに１となる蒸気注入開始信号４６１と、熱電対２７が検出したバーナメタル温度信号と、圧力検出器４６２が検出した圧縮機の空気圧力信号と、蒸気圧力計３０５が検出した蒸気圧力信号と、空気流量信号４６３と、蒸気流量信号４６４とが入力されている。また、ドレン検出回路４５０からは、次の操作許可信号４７６である蒸気注入の開始を許可する信号を制御器４００の他の回路へ出力している。
【００４８】
信号保持演算部４５１は、蒸気注入開始信号４６１とバーナメタル温度信号とを入力し、蒸気注入開始時点でのバーナメタル温度信号を保持する。この保持した蒸気注入開始時のバーナメタル温度信号４７１をドレン検出演算部４５３へ出力する。このバーナメタル温度信号４７１は、図２における時刻ｔ１のときのバーナメタル温度Ｔ１に相当する。
【００４９】
飽和蒸気温度演算部４５２は、空気圧力信号と、蒸気圧力信号と、空気流量信号４６３と、蒸気流量信号４６４とを入力し、これらから飽和蒸気温度信号４７２を演算して、ドレン検出演算部４５３へ出力する。この飽和蒸気温度信号４７２は、図２におけるバーナメタル温度Ｔ０に相当する。ここで、空気流量信号４６３は、例えば制御器４００において、圧縮機回転数検出器２２が検出した圧縮機回転数信号と、開度検出器１９が検出した入口案内翼（ＩＧＶ）の開度信号等から算出できる。また、蒸気流量信号４６４は、後述する制御器４００で算出される第１および第２の蒸気流量値４１１，４１２を用いてもよい。
【００５０】
ドレン検出演算部４５３は、熱電対２７が検出したバーナメタル温度信号（図２に示すＴ）と、信号保持演算部４５１からの蒸気注入開始時のバーナメタル温度信号４７１（図２に示すＴ１）と、飽和蒸気温度演算部４５２からの飽和蒸気温度信号４７２（図２に示すＴ０）とを入力し、ドレン量を算出し、ドレン水がなくなったと判定した場合にドレン非検出信号４７４を１の信号として論理積演算部４５５へ出力する。
【００５１】
ドレン検出演算部４５３は、図２に示すように、まず、蒸気注入開始時のバーナメタル温度Ｔ１から飽和蒸気温度Ｔ０を減算してΔＴを算出する。そして、このΔＴに対する、現在のバーナメタル温度Ｔから飽和蒸気温度Ｔ０を減算した温度差の割合を演算し、この割合が予め定めた閾値４７３を超えたときに、ドレン非検出信号４７４を１として、ドレン水がなくなったと判定している。本実施の形態においては、この閾値４７３を０．８としている。このことにより、図２に示すように時刻ｔ３までは、ドレン量大としてドレン非検出信号４７４を０出力し、時刻ｔ３経過後にドレン水が検出されないとしてドレン非検出信号４７４を１出力する。
【００５２】
タイマー演算部４５４は、蒸気注入開始信号４６１を入力し、予め設定された時間が経過したならば１の所定時間経過信号４７５を論理積演算部４５５へ出力する。タイマー演算部４５４を設けた理由は以下による。上述したドレン水によるバーナメタル温度の低下は、１度に限らず複数回断続的に発生することが予測される。これは、一度ドレン水が排出された低温の配管途中に再びドレン水が溜まり始め、それが蒸気の流れに押し出される場合などに起こり得る。
【００５３】
この場合、バーナメタル温度が一度再上昇したタイミングをもってドレン水が無くなったと判断して、第１の蒸気系統への蒸気注入を開始したにも関わらず、その後に再びドレン水が流入すると、燃焼の不安定を生じさせる可能性がある。そこで、本実施の形態においては、タイマー演算部４５４により、蒸気注入開始後一定時間は、ドレン水があり得るものと仮定してタイマー信号４７５を０出力としている。
【００５４】
論理積演算部４５５は、ドレン検出演算部４５３からのドレン非検出信号４７４と、タイマー演算部４５４からの所定時間経過信号４７５とを入力し、その論理積（ＡＮＤ）信号として、次の操作許可信号４７６を出力する。したがって、例えば、ドレン非検出信号４７４が１であった場合でも、タイマー演算部４５４からの所定時間経過信号がなければ、次の蒸気注入の開始を許可する信号４７６は出力されない。
【００５５】
図１に戻り、本実施の形態における蒸気流量の制御方法について更に説明する。上述したドレン検出回路４５０の次の操作許可信号４７６の出力により、ドレン水が無くなったと判定し、次に第１の蒸気系統３０１の第１蒸気流量調節弁３１１を開く蒸気注入を開始する。
【００５６】
流れ始めた第１の蒸気系統３０１の蒸気３３１は、まず蒸気ヘッダ３５０内に充満する。そして蒸気は蒸気ノズル３５２から燃焼器内に噴出し、燃焼空気１０４と混合して燃焼に用いられる。燃焼空気１０４に蒸気が混合することで火炎帯の局所的な温度が低下し、発生するＮＯｘを低減することができる。
【００５７】
一方、起動時には燃焼器カバー８の温度が低いため、蒸気の熱が奪われて、一部の蒸気が蒸気ヘッダ３５０内でドレン水となる。発生したドレン水は蒸気ヘッダ３５０の最下部に溜まり、蒸気の圧力によって蒸気ノズル３５２から燃焼器内へ流入して、燃料ノズル９の壁面に付着する。ドレン水が付着すると燃料ノズル９のバーナメタル温度が再び低下する。この時のバーナメタル温度の挙動は図２と同様であって、第１の蒸気配管３２１や蒸気ヘッダ３５０内の温度が上昇してドレン水の流入が少なくなることと、最初に流入したドレン水が流下したり、蒸発したりして、燃料ノズル９からドレン水が無くなると、バーナメタル温度は徐々に元の温度に上昇する。したがって、上述したドレン検出回路４５０により、同様にドレン水の有無を検出できる。なお、ドレン検出回路４５０のタイマー演算部４５４は、第１の蒸気系統３０１の蒸気３３１の注入開始をトリガとして実行する。
【００５８】
ドレン水が検出されている（ドレン検出回路４５０からの次の操作許可信号４７６が０である）間においては、第１蒸気流量調節弁３１１の開度は、低ＮＯｘ運用に必要な開度よりも小さく設定している。これは、多量のドレン水が流入することを防止して、燃焼の安定性を確保するためである。
【００５９】
最後に、バーナメタル温度からドレン水が無くなったことを確認した後、第１の蒸気系統３０１の第１蒸気流量調節弁３１１を低ＮＯｘ制御に必要な開度にして、ＮＯｘ排出量を抑制する。この時は、第１の蒸気配管３２１や蒸気ヘッダ３５０内の温度は十分高くなっており、ドレン水の流入は無いので、第１の蒸気系統３０１で低ＮＯｘ制御を行なっても、燃焼の安定性を損なうことがない。
【００６０】
以上説明したように、初めに第２の蒸気系統３０２から注入を開始することで、燃焼安定性に影響の大きい第１の蒸気系統３０１からドレン水が流入することを防止できる。このことにより、蒸気注入開始時の燃焼の安定性を確保しつつ、第２の蒸気系統３０２の暖機が可能となる。次に、第１の蒸気系統３０１の流量を少量に設定して第１の蒸気系統３０１を暖機することにより、燃焼安定性を損なうことなく、第２の蒸気系統３０２から分岐した後の第１の蒸気系統３０１を暖機できる。以上の手段により、２段階でドレン量を検出しながら、２系統の蒸気系統の暖機が完了する。
【００６１】
次に、ドレン水の排出が完了した後の蒸気流量の制御方法について図を用いて説明する。図４は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態を構成する制御器の処理内容を示すブロック図、図５は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態を構成する第１の蒸気流量指令演算部における燃料流量に対する第１蒸気量の出力特性を示す特性図、図６は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態を構成する第１の蒸気流量指令演算部におけるＩＧＶ開度に対する第１蒸気量の出力特性を示す特性図、図７は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態を構成する第１の蒸気流量指令演算部における回転数に対する第１蒸気量の出力特性を示す特性図、図８は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態を構成する第１の蒸気流量指令演算部における第２蒸気量に対する第１蒸気量の出力特性を示す特性図、図９は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態を構成する第２の蒸気流量指令演算部における蒸気圧力に対する第２蒸気量の出力特性を示す特性図、図１０は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態を構成する第２の蒸気流量指令演算部における圧力比に対する第２蒸気量の出力特性を示す特性図である。
【００６２】
図４に示すように制御器４００は、第１の蒸気流量指令演算部４０１と、第１の蒸気流量調節弁開度指令演算部４０２と、第２の蒸気流量指令演算部４０３と、第２の蒸気流量調節弁開度指令演算部４０４とドレン検出回路４５０とを備えている。また、制御器４００は、燃料流量計２０３が検出した燃料流量信号と開度検出器１９が検出した入口案内翼（ＩＧＶ）の開度信号と、圧縮機回転数検出器２２が検出した圧縮機回転数信号と、蒸気温度計３０６が検出した蒸気温度信号と、蒸気圧力計３０６が検出した蒸気圧力信号と、差圧検出器４６５が検出した吸込み空気圧力と吐出空気圧力の差圧（圧力比）信号とが入力されている。また、制御器４００からは、第１蒸気流量調節弁３１１へ開度指令４２１が、第２蒸気流量調節弁３１２へ開度指令４２２が、それぞれ出力されている。
【００６３】
第１の蒸気流量指令演算部４０１は、燃料流量信号とＩＧＶ開度信号と圧縮機回転数信号とを入力し、これらの信号から第１の蒸気流量指令値信号４１１が算出される。より具体的には、燃料流量に対しては図５に示すように、燃料流量が大きくなると第１の蒸気流量が増加するように設定される。これにより、燃料流量が増加した際のＮＯｘ排出量の増加を抑制できる。
【００６４】
また、ＩＧＶ開度に対しては図６に示すように、ＩＧＶ開度が大きくなると第１の蒸気流量が減少するように設定される。同様に、圧縮機回転数に対しては図７に示すように、回転数が大きくなると第１の蒸気流量が減少するように設定される。ＩＧＶ開度あるいは回転数が大きくなると、燃焼空気が増加して燃焼が不安定になる可能性がある。それに対して、このように制御する事で、湿分を低下させて燃焼安定性を維持することができる。
【００６５】
第１の蒸気流量指令演算部４０１は、上述したドレン検出回路４５０からの次の操作許可信号４７６と第２の蒸気流量指令演算部４０３からの第２の蒸気流量指令値信号４１２とを入力する。第２の蒸気流量指令値信号４１２と第１の蒸気流量指令値信号４１１との関係については後述する。
【００６６】
第１の蒸気流量調節弁開度指令演算部４０２は、第１の蒸気流量指令演算部４０１からの第１の蒸気流量指令値４１１と蒸気温度信号と蒸気圧力信号とを入力し、第１蒸気流量調節弁３１１の開度指令信号４２１が算出される。蒸気温度信号と蒸気圧力信号とを演算に反映することで、蒸気の流量をさらに高精度に制御することができる。
【００６７】
第２の蒸気流量指令演算部４０３は、蒸気圧力信号と圧力比信号とを入力し、これらの信号から第２の蒸気流量指令値信号４１２が算出される。より具体的には、蒸気圧力に対しては図９に示すように設定され、圧力比に対しては図１０に示すように設定される。
【００６８】
第２の蒸気流量調節弁開度指令演算部４０２は、第２の蒸気流量指令演算部４０３からの第２の蒸気流量指令値４１２と蒸気温度信号と蒸気圧力信号とを入力し、第２蒸気流量調節弁３１２の開度指令信号４２２が算出される。蒸気温度信号と蒸気圧力信号とを演算に反映することで、蒸気の流量をさらに高精度に制御することができる。
【００６９】
第２の蒸気流量指令演算部４０３については、蒸気消費設備６で消費しきれない余剰の蒸気を蒸気注入ガスタービン４に注入して増出力を図るための制御方法を例に説明する。  
第２の蒸気流量指令演算部４０３は、図９に示すように、蒸気圧力が高くなってあらかじめ定めた値に達した時に第２蒸気流量調節弁３１２の開動作を開始させて、その後、蒸気圧力３０５がほぼ一定となるように第２の蒸気流量指令値４１２を設定している。このことにより、燃料流量２０３が変化して排熱回収ボイラ５で発生する蒸気量が変化したり、蒸気消費設備６で使用される蒸気量が変化したりした場合であっても、蒸気圧力を一定に保つことができる。
【００７０】
また、第２の蒸気流量指令演算部４０３は、図１０に示すように圧力比を基に第２蒸気流量指令値４１２の最大値を制限している。このことにより、第２の蒸気流量が大きくなりすぎて蒸気注入ガスタービン４の圧力比が高くなり圧縮機サージマージンが小さくなりすぎることを防止できる。
【００７１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、蒸気消費設備６で必要な蒸気量が変化した場合であって、蒸気注入ガスタービン４に注入される蒸気量を変化させて熱電比可変の運用をおこなう際にも、安定した燃焼を維持しつつＮＯｘ排出量を最小限に抑えることができる。
【００７２】
最後に、第２の蒸気流量を考慮した第１の蒸気流量の制御について説明する。図１に示す第２の蒸気３３２において、希釈孔１４から燃焼器ライナ１０内へ流入する大部分の蒸気３３２ａ以外の第２の蒸気の一部（３２２ｂ）は、２次燃焼空気１１０および燃焼空気１０４に混合して燃焼に用いられることでＮＯｘ排出量低減に寄与する。その際、第２の蒸気３３２の流量が増減すると、大部分の蒸気３３２ａと、低ＮＯｘ化に寄与する一部の蒸気３３２ｂの流量比、およびそれぞれの流量が増減する。
【００７３】
本実施の形態においては、低ＮＯｘ化に寄与する第２の蒸気３３２ｂの流量が増減しても、火炎の燃焼安定性と低ＮＯｘ性能を両立させるために、図４に示す第１の蒸気流量指令演算部４０１に第２の蒸気流量指令値４１２の信号を入力し、図８に示すように第２蒸気の流量指令値に基づいて第１蒸気の流量指令値を制御している。
【００７４】
具体的には、第２の蒸気流量指令値の増加にともない、第１の蒸気流量指令値を徐々に低下させ、第２の蒸気流量指令値が過大のときには、第１の蒸気流量指令値を０とする。このことにより、燃焼空気１０４および２次燃焼空気１１０に含まれる湿分が適切になるように制御される。この制御により、第２の蒸気流量が増減した場合でも、低ＮＯｘかつ安定な燃焼を維持することができる。また、制限値以内であれば、第２の蒸気流量の増減と独立して燃料流量や空気流量の変化に応じて、上述したように低ＮＯｘ燃焼を維持できる。
【００７５】
さらに、蒸気消費設備６での熱の需要が大きくなって、第２の蒸気流量が小さくなった場合でも、第１の蒸気が燃焼空気１０４に混入するので、第２の蒸気だけで低ＮＯｘ化を図る場合に比べて、低ＮＯｘ化に必要な蒸気量を減らすことができるため、より多くの熱需要に応えることができる。
【００７６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、蒸気の消費量が小さいときに、ＮＯｘ排出量抑制を兼ねて、燃焼器に余剰蒸気を注入して発電量を増加させる熱電可変型コジェネレーションシステムにおいて、第２の蒸気の一部を燃焼空気に混合して低ＮＯｘ化を図った場合でも、燃料流量、空気流量、第２の蒸気流量の変化に対して消炎することを防止でき、低ＮＯｘかつ安定な信頼性の高いガスタービンを供給できる。
【００７７】
また、多量の余剰蒸気を燃焼器に注入することができ、熱電比の変化幅を大きくして、使い勝手を向上できる。逆に蒸気の消費量が大きく燃焼器に注入することができる蒸気が少量の時でも、ＮＯｘ生成量への感度が大きい燃焼空気１０４に第１の蒸気を混合することができるので、低ＮＯｘ効果を維持することができる。
【００７８】
更に、高温のドレン水を系外へ排出した後に処理することと比較すると、高温水を処理するための設備を小さくできることに加え、ドレン水の持つ熱エネルギを内部で利用できるため、エネルギの節約にもなる。
【００７９】
上述した本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第１の実施の形態によれば、蒸気注入ガスタービン４の起動時に、燃焼の安定性を維持しつつ低ＮＯｘ化を図ることができる。また、ドレン水処理設備を小型化できる。
【実施例２】
【００８０】
以下、本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図１１は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第２の実施の形態の構成の一例を示すシステムフロー図である。図１１において、図１乃至図１０に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００８１】
図１１に示す本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第２の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の機器で構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、蒸気ヘッダ３５０の最下部に蒸気ヘッダ３５０と連通するドレン水連通管３５３の一端側が接続されている。ドレン水連通管３５３の他端側の先端には水噴霧ノズル３５４が取り付けられている。水噴霧ノズル３５４は、燃焼器ライナ１０とライナフロースリーブ１１の間の環状空間に向けて開口している。
【００８２】
本実施の形態においては、蒸気注入開始時に発生したドレン水は蒸気ヘッダ３５０の最下部に溜まり、蒸気の圧力によってドレン水連通管３５３を流れ、水噴霧ノズル３５４から微細な水滴となって噴出する。噴出位置が燃焼器ライナ１０とライナフロースリーブ１１の間の環状空間であるため、そこを流れる燃焼空気１０４と混合する過程で蒸発する。このことにより、燃焼器ライナ１０内で燃焼に用いられる際には、火炎温度を低下させるので、ＮＯｘ抑制に効果を発揮する。
【００８３】
水噴霧ノズル３５４は蒸気ノズル３５２と異なり、水を微細な水滴にして噴霧することができる。そのため、ドレン水が蒸気ノズル３５２から噴出した場合と比較して蒸発が早くなり、ドレン水が液体のまま火炎に到達して燃焼安定性を損なう可能性を小さくできる。
【００８４】
また、このことから、蒸気注入開始時の第１蒸気流量調節弁３１１の開度を、第１の実施の形態の場合よりも、大きく設定しても燃焼の安定性を損ねる可能性を小さくできる。この結果、ドレン水の排出が早くなるので、起動時間を短くすることができる。
【００８５】
第１の実施の形態においては、ドレン量の検出手段としてバーナメタル温度を用いたが、本実施の形態においては、水噴霧ノズル３５４に熱電対を設けて、水噴霧ノズル３５４のメタル温度を使用することもできる。水噴霧ノズル３５４のメタル温度は、ドレン排出中はドレン水の飽和温度に近く、ドレン水が無くなると蒸気供給温度に近くなるため、第１の実施の形態において、バーナメタル温度を基に説明したドレン検出制御が、水噴霧ノズルのメタル温度を基にしても同様に行なえる。
【００８６】
また、水噴霧ノズル３５４は、バーナよりも火炎から離れた位置にあるため、ドレン水による燃焼安定性を判定するためには、バーナメタル温度の方が適している。しかし、水噴霧ノズル３５４は直接高温の火炎にさらされることが無いため、ドレン量検出手段の寿命を延ばせる点においては、水噴霧ノズルメタル温度を利用する利点がある。
【００８７】
上述した本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第２の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００８８】
また、上述した本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第２の実施の形態によれば、ドレン水連通管３５３と水噴霧ノズル３５４を設けたので、ドレン水の蒸発を早くさせることができる。このことにより、蒸気注入開始による燃焼安定性を損なう可能性を小さくすることができる。
【実施例３】
【００８９】
以下、本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第３の実施の形態を図面を用いて説明する。図１２は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第３の実施の形態の構成の一例を示すシステムフロー図である。図１２において、図１乃至図１１に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００９０】
図１２に示す本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第３の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の機器で構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、燃焼器ライナ１０の外表面にライナメタル温度検出手段の一例として、熱電対２８を設置している。設置位置はライナ希釈孔１４の近傍が望ましい。
【００９１】
上述したように、燃焼器２への蒸気注入開始時には、第２の蒸気配管３２２の温度が低いため発生したドレン水の一部は、燃焼器ライナ１０外表面に付着する。また、残りの一部は蒸気や空気の流れに乗って流れ、燃料ノズル９の壁面に付着する。その際、ドレン水の発生量が少ないと、流下中にドレン水は蒸発してしまい、燃料ノズル９の軸中心の下流端に設置した熱電対２７では、ドレン水を検出できないことが考えられる。この場合、燃料ノズル９までドレン水が到達していないと考えられるので、燃焼の安定性は確保されている。しかし、熱電対２７に変化が生じないので、ドレン水が無くなったことの判定が難しいという問題がある。
【００９２】
これに対して、本実施の形態においては、燃焼ライナ１０の外表面にもライナメタル温度検出器としての熱電対２８を設けて、バーナメタル温度と合わせて判定に用いることで、ドレン水の有無の検出精度を向上させている。例えば、ライナメタル温度とバーナメタル温度がともに低下している場合は、ドレン水が多量に混入していると判断できる。次に、ライナメタル温度のみが低下している場合は、第２の蒸気３３２にドレン水が混入しているものの、燃焼不安定が生じるほどではないと判断できる。最後に、ライナメタル温度とバーナメタル温度のどちらの温度も低下していない場合は、ドレン水が混入していないと判定できる。このように、ライナメタル温度とバーナメタル温度を組み合わせてドレン水の有無を判定することで、検出精度を高めることができる。また、第２の実施の形態で示した水噴霧ノズル３５４のメタル温度を、バーナメタル温度やライナメタル温度と組合せることでも、ドレン水の検出精度を高めることができる。
【００９３】
上述した本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第３の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００９４】
また、上述した本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第３の実施の形態によれば、ライナメタル温度とバーナメタル温度を組み合わせてドレン水の有無を判定するので、ドレン水の検出精度を高めることができる。
【実施例４】
【００９５】
以下、本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第４の実施の形態を図面を用いて説明する。図１３は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第４の実施の形態の構成の一例を示すシステムフロー図、図１４は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第４の実施の形態の構成の他の例を示すシステムフロー図である。図１３および図１４において、図１乃至図１２に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００９６】
図１３に示す本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第４の実施の形態の一例は、大略第１の実施の形態と同様の機器で構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、火炎検出器２９の検出面を燃焼器ライナ１０の壁面まで挿入して、ドレン量検出手段として制御に用いている。
【００９７】
火炎検出器２９は、本実施の形態の目的であるドレン量検出手段とは別に、例えば、ガスタービン起動時の点火検出を目的として設置されている場合がある。この火炎検出器をドレン量検出にも利用することで、ドレン量検出のために別途検出器を設けなくてもよくなり、コストの低減が図れる。
【００９８】
一般に、燃焼器２の火炎中にドレン水が混入すると火炎の輝度が大きくなる。このため、火炎検出器でこのような火炎の輝度の増大を検出する。輝度が大きいときはドレン水が混入しており、輝度が小さくなるとドレン水が無くなったと判定することができる。このようにして、火炎検出器２９をドレン量検出手段として利用できる。
【００９９】
本実施の形態における他の例は、図１４に示すように、火炎検出器に代えて、圧力導管３１の一端側を燃焼器ライナ１０の壁面まで挿入して、その他端側に圧力変動検出器３２を設置している。
【０１００】
燃焼器２の火炎中にドレン水が混入し燃焼が不安定になると、火炎の位置や発熱が時間的に変動して、燃焼器ライナ１０内の圧力が変動する。これを圧力変動検出器３２で検出すれば、圧力変動が大きいときはドレン水が混入しており、圧力変動が小さくなるとドレン水が無くなったと判定することができる。このようにして、圧力導管３１と圧力変動検出器３２をドレン量検出手段として利用できる。
【０１０１】
図１４による場合は、高温の燃焼ガスに面しているのは圧力導管３１のみであり、圧力変動検出器３２は燃焼器ケーシング７の外に設置することができる。高温にさらされる圧力導管３１は耐熱性があってかつ安価であり、高価で耐熱性の少ない圧力変動検出器３２は低温環境の場所場に設置できるので、ドレン量検出手段のコストを抑えつつ、信頼性を高めることができる。
【０１０２】
上述した本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第４の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０１０３】
また、上述した本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第４の実施の形態によれば、ドレン量検出手段のためのコストを抑えつつ、信頼性を高めることができる。
【符号の説明】
【０１０４】
１：圧縮機、２：燃焼器、３：タービン、４：蒸気注入ガスタービン、５：排熱回収ボイラ、６：蒸気消費設備、７：燃焼器ケーシング、８：燃焼器カバー、９：燃料ノズル、１０：燃焼器ライナ、１１：ライナフロースリーブ、１２：尾筒、１３：尾筒フロースリーブ、１４：希釈孔、１５：蒸気注入ポート、１６：蒸気注入孔、１７：旋回器、１８：隔壁、２０：発電機、２３：タービンケーシング、２５：ボイラ、２９：火炎検出器、３１：圧力道管、３２：圧力変動検出器、１００：空気、１０１：燃焼用空気、１０２：ライナ冷却空気、１０３：希釈空気、１０４：燃焼空気、１０５：燃焼ガス、１０６：燃焼ガス、１０７：ガスジェネレータ排気ガス、１０８：タービン排ガス、１０９：排気ガス、１１０：２次燃焼空気、２００：燃料系統、２０１：燃料、２０２：燃料流量調整弁、２０３：燃料流量計、３００：蒸気供給系統、３０１：第１の蒸気系統、３０２：第２の蒸気系統、３０３：プロセス蒸気配管、３０４：蒸気放出系統、３１１：第１蒸気流量調節弁、３１２：第２蒸気流量調節弁、３１３：プロセス蒸気流量調節弁、３１４：蒸気放出弁、３３１：第１の蒸気、３３２：第２の蒸気、３５０：蒸気ヘッダ、３５１：蒸気フランジ、３５２：蒸気ノズル、３５３：ドレン水連通管、３５４：水噴霧ノズル
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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