(57)【要約】【課題】大気温度によらずスムーズに着火することができるガスタービン及びガスタービンの燃焼器始動制御方法を提供する。【解決手段】吸い込んだ空気を圧縮する空気圧縮機１０と、燃料を供給する燃料供給源４０と、燃料供給源４０からの燃料を昇圧するガス圧縮機３、ガス圧縮機からの燃料の圧力を制御する圧力制御弁１、圧力制御弁の下流側で燃料流量を制御する流量制御弁２ａ〜２ｅ、及び燃料を噴射する燃料ノズル５ａ〜５ｅを有し、燃料ノズル５ａ〜５ｅからの燃料を空気圧縮機１０からの圧縮空気とともに燃焼する燃焼器２０と、燃焼器２０からの燃焼ガスにより回転動力を得るタービン３０と、燃焼器２０の着火時における圧力制御弁１の開度を大気温度に応じて変化する設定値で一定に保つ制御装置５０とを備える。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸い込んだ空気を圧縮する空気圧縮機と、
燃料を供給する燃料供給源と、
この燃料供給源からの燃料を昇圧するガス圧縮機、このガス圧縮機からの燃料の圧力を制御する圧力制御弁、この圧力制御弁の下流側で燃料流量を制御する流量制御弁、及び燃料を噴射する燃料ノズルを有し、前記燃料ノズルからの燃料を前記空気圧縮機からの圧縮空気とともに燃焼する燃焼器と、
この燃焼器からの燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、
前記燃焼器の着火時における前記圧力制御弁の開度を大気温度に応じて変化する設定値で一定に保つ制御装置と
を備えたことを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
請求項１のガスタービンにおいて、
前記圧力制御弁と前記流量制御弁の間に設けられ、前記流量制御弁の上流側の燃料圧力を検出する圧力センサをさらに備え、
前記制御装置は、前記燃焼器の着火後、前記圧力センサの検出値が前記流量制御弁の上流側の燃料圧力の目標値に近付くように前記圧力制御弁の開度を制御する
ことを特徴とするガスタービン。
【請求項３】
請求項１又は２のガスタービンにおいて、前記制御装置は、前記流量制御弁の開度を大気温度に応じて制御することを特徴とするガスタービン。
【請求項４】
吸い込んだ空気を圧縮する空気圧縮機と、燃料を供給する燃料供給源と、この燃料供給源からの燃料を昇圧するガス圧縮機、このガス圧縮機からの燃料の圧力を制御する圧力制御弁、この圧力制御弁の下流側で燃料流量を制御する流量制御弁、及び燃料を噴射する燃料ノズルを有し、前記燃料ノズルからの燃料を前記空気圧縮機からの圧縮空気とともに燃焼する燃焼器と、この燃焼器からの燃焼ガスにより回転動力を得るタービンとを備えたガスタービンの燃焼器始動制御方法において、
前記燃焼器の着火時における前記圧力制御弁の開度を大気温度に応じて変化する設定値で一定に保つ
ことを特徴とするガスタービンの燃焼器始動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン及びガスタービンの燃焼器始動制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来一般に採用されているガスタービン燃焼器は、圧力制御弁によって流量制御弁前圧（流量制御弁の上流側圧力）を一定の値に保った状態で、圧力制御弁の下流側に設けた流量制御弁によって燃料流量を制御する。この種のものでは、良好な着火性能を確保するために、着火時には圧力制御弁の開度が予め設定された値に保たれるのが通常である（特許文献１等参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平３−２５８９２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
通常、上記のように構成されたガスタービン燃焼器では、着火時は流量制御弁前圧が十分に昇圧していないため、流量制御弁の開度ではなく圧力制御弁の開度で燃料流量が決まる。しかしながら、このようにして着火時の燃料流量が一定に保たれるのに対し、燃料に混合する空気圧縮機からの空気流量は大気温度によって変化する。したがって、大気温度が低下すれば空気流量が増大して着火時の空燃比が下がるため、着火不具合が生じる恐れがある。反対に、大気温度が上昇すれば空気流量が低下して点火時の空燃比が上がるため、燃料温度が上昇し燃焼室やガスパスに臨む高温部品の熱応力が大きくなる可能性がある。
【０００５】
本発明はこれを鑑みなされたもので、大気温度によらずスムーズに着火することができるガスタービン及びガスタービンの燃焼器始動制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）上記目的を達成するために、本発明のガスタービンは、吸い込んだ空気を圧縮する空気圧縮機と、燃料を供給する燃料供給源と、この燃料供給源からの燃料を昇圧するガス圧縮機、このガス圧縮機からの燃料の圧力を制御する圧力制御弁、この圧力制御弁の下流側で燃料流量を制御する流量制御弁、及び燃料を噴射する燃料ノズルを有し、前記燃料ノズルからの燃料を前記空気圧縮機からの圧縮空気とともに燃焼する燃焼器と、この燃焼器からの燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、前記燃焼器の着火時における前記圧力制御弁の開度を大気温度に応じて変化する設定値で一定に保つ制御装置とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記圧力制御弁と前記流量制御弁の間に設けられ、前記流量制御弁の上流側の燃料圧力を検出する圧力センサをさらに備え、前記制御装置は、前記燃焼器の着火後、前記圧力センサの検出値が前記流量制御弁の上流側の燃料圧力の目標値に近付くように前記圧力制御弁の開度を制御することを特徴とする。
【０００８】
（３）上記（１）又は（２）において、また好ましくは、前記制御装置は、前記流量制御弁の開度を大気温度に応じて制御することを特徴とする。
【０００９】
（４）上記目的を達成するために、また本発明は、吸い込んだ空気を圧縮する空気圧縮機と、燃料を供給する燃料供給源と、この燃料供給源からの燃料を昇圧するガス圧縮機、このガス圧縮機からの燃料の圧力を制御する圧力制御弁、この圧力制御弁の下流側で燃料流量を制御する流量制御弁、及び燃料を噴射する燃料ノズルを有し、前記燃料ノズルからの燃料を前記空気圧縮機からの圧縮空気とともに燃焼する燃焼器と、この燃焼器からの燃焼ガスにより回転動力を得るタービンとを備えたガスタービンの燃焼器始動制御方法において、前記燃焼器の着火時における前記圧力制御弁の開度を大気温度に応じて変化する設定値で一定に保つことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、圧力制御弁の開度を大気温度に応じて決定することにより、着火時の燃料流量を大気温度に応じた値とすることができるので、大気温度によらずガスタービン燃焼器においてスムーズに着火することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は本実施の形態のガスタービンの概略構成を表す概念図である。
図１に示すように、本実施の形態のガスタービンは、吸い込んだ空気を圧縮する空気圧縮機１０、この空気圧縮機１０からの圧縮空気とともに燃料を燃焼する燃焼器２０、この燃焼器２０からの燃焼ガスにより回転動力を得るタービン３０、燃焼器２０に燃料を供給する燃料供給源４０、及び燃焼器２０による燃料流量（燃料噴射量）を制御する制御装置５０を備えている。
【００１２】
図２は本実施の形態のガスタービンに備えられた燃焼器とその燃料供給系統を表すブロック図である。
燃焼器２０は、図２に示すように、燃料を昇圧するガス圧縮機３、燃料の圧力を制御する圧力制御弁１、燃料の流量を制御する流量制御弁２、及び燃料を噴射する燃料ノズル５を備えている。本実施の形態においては、流量制御弁２として複数の流量制御弁２ａ〜２ｅを設け、各流量制御弁２ａ〜２ｅがそれぞれ対応の燃料ノズル５ａ〜５ｅに接続しているが、流量制御弁２及び燃料ノズル５はそれぞれ一つずつとすることもできる。
【００１３】
ガス圧縮機３は、燃料供給源４０から圧力制御弁１への燃料配管の途中に設けられており、圧力制御弁１の下流側にて燃料配管が５つに分岐してそれぞれ各流量制御弁２ａ〜２ｅに接続している。圧力制御弁１と流量制御弁２の間の燃料配管には、流量制御弁前圧（流量制御弁２の上流側の燃料の圧力）を検出する圧力センサ６が設けられている。上記制御装置５０には、図示しない対応のセンサから入力される大気温度やタービン３０の回転数、ガスタービン出力、燃料温度等の検出信号Ｓや圧力センサ６からの流量制御弁前圧Ｐ２が入力される。流量制御弁２の開度は、検出信号Ｓに基づいて制御装置５０により制御される。
【００１４】
特に本実施の形態において、制御装置５０は、圧力センサ６により検出された流量制御弁前圧Ｐ２を入力し、Ｐ２が予め定められた目標値に追従するように圧力制御弁１の開度を制御する。また、圧力制御弁１は、着火時には開度を設定開度（一定値）に保つように制御装置５０により制御される。このとき、着火時の圧力制御弁１の設定開度が固定値ではなく、大気温度に応じて決定されることが本実施の形態の大きな特徴である。
【００１５】
上記構成の本実施の形態に係るガスタービンにおいて、燃焼器２０の着火、すなわち燃焼器２０の始動は次のように行われる。
まず、空気圧縮機１０からの圧縮空気を燃焼空気として燃焼器２０（燃料ノズル５の下流側）に供給する一方で、燃料供給源４０からの燃料をガス圧縮機３に送って燃料を昇圧する。次に、点火栓（図示せず）を燃焼器２０の図示しない燃焼室内に挿入し、点火栓に通電しアークを生じさせる。これに前後して流量制御弁２と圧力制御弁１を順次開放し、燃料を燃料ノズル５に供給することで燃料ノズル５から噴射され燃料と空気圧縮機１０からの燃焼空気を混合気体とする。これにより燃焼室内で点火栓のアークによって混合気体に点火されると、燃焼室内において燃料ノズル５の下流側に火炎が形成される。この燃焼反応により燃焼室内で発生した燃焼ガスはタービン３０に供給され、タービン３０はこの燃焼ガスの流体エネルギーを回転動力に変換する。なお、流量制御弁２ａ〜２ｅの開放順序や開放数は、ガスタービン設備毎に予め定められる。
【００１６】
ここで、図３は一般的なガスタービンの始動時における圧力制御弁前圧Ｐ１、流量制御弁前圧Ｐ２、流量制御弁後圧Ｐ３の関係を表す図である。
図３において、横軸の左半分は、運転開始後にタービンで得られる回転動力が空気圧縮機の駆動力とつり合うまでタービンの回転数が上昇する過程を、右半分は、その後ガスタービン負荷が増大する過程を表している。
【００１７】
この種のガスタービンの燃焼器においては、圧力制御弁前圧（圧力制御弁１の上流側の燃料圧力）Ｐ１が図３に示すようにガス圧縮機によって概ね一定に保たれるが、流量制御弁後圧（流量制御弁２の下流側の燃料圧力）Ｐ３は実際にはガスタービンの運転状態によって変化するため流量制御弁前圧の目標値もそれに伴って変化する。
【００１８】
通常、ガスタービン着火時は流量制御弁前圧Ｐ２が低いため、流量制御弁ではなく圧力制御弁の開度で燃料流量が決まる。流量制御弁の開度は大気温度によって制御されるが、圧力制御弁の開度は大気温度によらずある値に保たれるため、大気温度によらず燃料流量は一定となる。
【００１９】
図４は大気温度と空気流量の関係を示す図である。
この図４に示すように、空気流量は大気温度によって変化する。したがって、着火時において、燃料流量は大気温度によらず一定に保たれるため、大気温度が低くなった場合、空気流量が多くなって点火時空燃比が下がるため、点火不具合が生じる可能性がある。一方、大気温度が高い場合は、空気流量が少なくなり、点火時空燃比が上がるため、熱応力が大きくなる可能性がある。
【００２０】
また、図５は本発明の比較例のガスタービンの燃焼器始動制御方法による着火時の燃料流量を示す図である。
一般に流量制御弁の開度は大気温度に応じて制御されるが、圧力制御弁の開度は、着火時には一定値（固定値）に保たれ、その後、流量制御弁前圧を一定に保つように制御されることが行われてきた。仮にこのような始動制御方法を図１及び図２に示したガスタービンに適用した場合、大気温度により空気流量が変動すると、圧力制御弁１の制御が開度一定制御からＰ２圧制御に切り替わる際、図５に示したように燃料流量が大きく変動する可能性がある。
【００２１】
そこで、本実施の形態では、大気温度によらず良好な着火性能が確保されるように、燃料流量を次のように制御する。
着火後の通常運転時には、流量制御弁前圧Ｐ２が一定の目標値となるように圧力制御弁１の開度を制御した状態で、大気温度に応じて流量制御弁２を制御し燃料流量を調整する。つまり、圧力制御弁１は流量制御弁前圧（検出値）Ｐ２と目標値との偏差が小さくなるように制御装置５０により制御される。流量制御弁２は、圧力制御弁１の制御によって流量制御弁前圧Ｐ２が目標値に保たれることを前提として、大気温度の他、ガスタービン出力、回転数、燃料温度等を基に制御装置５０により制御される。
【００２２】
しかし、着火時は流量制御弁前圧Ｐ２が目標値に対して低いため、上記のような通常運転時と同様の制御を行った場合、流量制御弁前圧Ｐ２と目標値との偏差が大きく制御が不安定になる可能性がある。したがって、制御装置５０は、一定の設定開度に圧力制御弁１の開度を制御する。このとき、本実施の形態では、圧力制御弁１の設定開度を、例えば予め格納されたテーブルや関数に基づき、検出された大気温度に対応した値に決定する。つまり着火時の圧力制御弁１の設定開度は可変である。圧力制御弁１の着火時の設定開度の決定は、例えば空気圧縮機１０の吸気口近傍に設けた温度センサ（図示せず）により検出された大気温度を基に、予め定められた大気温度−設定開度の関係に従って制御装置５０でなされるようにしても良いし、外気温を基にオペレータが設定することも考えられる。
【００２３】
図６は本実施の形態のガスタービンの燃焼器始動制御方法による着火時の燃料流量を示す図である。
上記した本実施の形態のガスタービンの燃焼器始動制御方法によれば、着火時において、圧力制御弁１の開度を大気温度によって変化させることで、着火時に圧力制御弁開度に依存する燃料流量を大気温度に応じて調節することができる。そのため、大気温度によって燃料と燃焼空気の比率が大きく変化することがなく空燃比を適正に保つことができ、図６に示すように、圧力制御弁開度一定制御からＰ２圧制御に切り替わる際の燃料流量の変動を抑制することができる。したがって、大気温度によらずスムーズに着火することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施の形態に係るガスタービンの概略構成を表す概念図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るガスタービンに備えられた燃焼器とその燃料供給系統を表すブロック図である。
【図３】一般的なガスタービンの始動時における圧力制御弁前圧、流量制御弁前圧、流量制御弁後圧の関係を表す図である。
【図４】大気温度と空気流量の関係を示す図である。
【図５】本発明の比較例のガスタービンの燃焼器始動制御方法による着火時の燃料流量を示す図である。
【図６】本発明の一実施の形態に係るガスタービンの燃焼器始動制御方法による着火時の燃料流量を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１            圧力制御弁
２，２ａ〜ｅ  流量制御弁
３            ガス圧縮機
５，５ａ〜ｅ  燃料ノズル
６            圧力センサ
１０          空気圧縮機
２０          燃焼器
３０          タービン
４０          燃料供給源
５０          制御装置
Ｐ１          圧力制御弁前圧
Ｐ２          流量制御弁前圧
Ｐ３          流量制御弁後圧
【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】
2008082302.tif 000007
【図６】
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