(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素酸化物の低減のために燃焼器に水又は蒸気を噴射する窒素酸化物低減用の噴射系統と、出力増加のために燃焼器に水又は蒸気を噴射する出力増加用の噴射系統と、前記燃焼器内に燃料を噴射させる燃料供給系統と、各系統の流量を制御する制御装置と、ガスタービンの排気温度を検出する温度センサとを備え、ガスタービンの出力増加時に、前記出力増加用の噴射系統の水又は蒸気の噴射量及び前記燃料供給系統の燃料の噴射量を、前記温度センサの測定値に基づいて前記制御装置からの指令で制御するように構成したことを特徴とする水又は蒸気噴射型ガスタービン。
【請求項２】
窒素酸化物の低減のために燃焼器に水又は蒸気を噴射する窒素酸化物低減用の噴射系統と、出力増加のために燃焼器に水又は蒸気を噴射する出力増加用の噴射系統と、前記燃焼器内に燃料を噴射させる燃料供給系統とを有する水又は蒸気噴射型ガスタービンの制御方法において、ガスタービンの出力増加の必要がない運転時に、前記出力増加用の噴射系統に定量の水又は蒸気を供給することにより、出力増加用の蒸気供給開始直後に出力を変動させないようにしたことを特徴とする水又は蒸気噴射型ガスタービンの制御方法。
【請求項３】
窒素酸化物の低減のために燃焼器に水又は蒸気を噴射する窒素酸化物低減用の噴射系統と、出力増加のために燃焼器に水又は蒸気を噴射する出力増加用の噴射系統と、前記燃焼器内に燃料を噴射させる燃料供給系統とを有する水又は蒸気噴射型ガスタービンの制御方法において、ガスタービンの出力増加の必要がない運転時に、前記出力増加用の噴射系統に定量の水又は蒸気を供給するようにし、出力増加時には、ガスタービンの排気温度制御を行うことを特徴とする水又は蒸気噴射型ガスタービンの制御方法。
【請求項４】
前記排気温度制御は、前記出力増加用の噴射系統の水又は蒸気の噴射量を増加するとともに前記燃焼器への燃料供給量を増加させることを特徴とする請求項３記載の水又は蒸気噴射型ガスタービンの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃焼器に水又は蒸気を噴射させる水又は蒸気噴射型ガスタービン及びその制御方法に係り、特に、窒素酸化物（以下ＮＯｘと云う）の低減用と出力増加用の２系統の水又は蒸気の噴射系統を有する水又は蒸気噴射型ガスタービン及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、水又は蒸気（以下単に蒸気と云う）の供給系統を有する水又は蒸気噴射型ガスタービンは、例えば特許文献１に既に提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３０８５９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に開示の水又は蒸気噴射型ガスタービンは、低ＮＯｘ燃焼器を使用し、出力増加を行わずＮＯｘ低減のみを行う運転中には、蒸気の噴射を行わず、希薄予混合燃焼によってＮＯｘの発生量を低減し、出力増加時のみ蒸気を噴射させている。このため、蒸気供給系統内に蒸気の供給がないときに、残存した蒸気が冷やされて水滴が溜まり易い。蒸気供給系統内に溜まった水滴は、出力増加時に蒸気噴射系統から供給される蒸気と共に燃焼器に流入するので、蒸気供給系統を使用する際には、出力増加用の蒸気噴射系統を暖管して水滴が燃焼器に流入しないようにする必要がある。
【０００５】
しかしながら、蒸気供給系統への蒸気の供給開始前に暖管することで、蒸気噴射開始に遅れが生じ、また、バルブが微開の時は流量が適正に制御しにくいため、蒸気噴射直後の流量急増により出力が変動したりする問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、蒸気供給系統の不使用時の後に出力増加の指令があっても蒸気噴射開始に遅れが生じない水又は蒸気噴射型ガスタービンの制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は蒸気目的を達成するために、蒸気供給系統を、ＮＯｘ低減用の蒸気噴射系統と、出力増加用の蒸気噴射系統との２系統で構成し、ガスタービンの出力増加の必要がない運転時に、ＮＯｘ低減用の蒸気噴射系統に規定の蒸気を供給するとともに、出力増加用の蒸気噴射系統に定量の蒸気を供給することにより、使用開始直後の出力を変動させないようにしたのである。
【０００８】
このようにガスタービンの出力増加の必要がない運転時に、出力増加用の蒸気噴射系統に蒸気を供給することで、出力増加用の蒸気噴射系統暖管を行うことができるので水滴の発生を防止でき、かつ、出力増加の指令により出力増加用の蒸気噴射系統から蒸気を噴射する場合にも、そのまま蒸気の供給（噴射）量を増加させればよいので蒸気噴射開始の遅れがなくなり、出力の変動は回避される。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように本発明によれば、蒸気供給系統の不使用時の後に出力増加の指令があっても蒸気噴射開始に遅れが生じない水又は蒸気噴射型ガスタービンの制御方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下本発明による水又は蒸気噴射型ガスタービンの制御方法の一実施の形態を図１〜図３に基づいて説明する。
【００１１】
ガスタービン設備は、ガスタービン１と、このガスタービン１と同軸の空気圧縮機２と、燃焼器３とを有している。燃焼器３は、燃料供給系統４と蒸気供給系統５とが接続されている。燃料ｆの流量は、燃料制御弁６によって制御される。また蒸気供給系統５に供給された蒸気ｓはＮＯｘ低減用の蒸気噴射系統５Ａと出力増加用の蒸気噴射系統５Ｂに分岐され、ＮＯｘ低減用の蒸気噴射系統５Ａの蒸気ｓ１は蒸気制御弁７で、出力増加用の蒸気噴射系統５Ｂの蒸気ｓ２は蒸気制御弁８によって夫々流量が制御されている。
【００１２】
これら燃料制御弁６及び蒸気制御弁７，８は、制御装置９からの指令によって制御され、蒸気制御弁７，８は、蒸気流量計１０，１１での実流量との偏差によって開度が調整される。また、１２はガスタービン１からの排気Gの温度を検出する温度センサである。これら蒸気流量計１０，１１及び温度センサ１２からの検出信号は、燃料制御弁６及び蒸気制御弁７，８の開度を制御するために前記制御装置９に入力される。
【００１３】
前記ＮＯｘ低減用の蒸気噴射系統５Ａは、燃焼器ヘッダ３Ｈに設けられた燃料ノズル４Ｎの近傍に設けられたヘッダノズル５ＡＮに連結され、出力増加用の蒸気噴射系統５Ｂは、ガスタービンシェル１Ｓに設けられシェルノズル５ＢＮに連結されている。
【００１４】
ヘッダノズル５ＡＮからの蒸気ｓ１の噴射は、燃焼に起因するNOｘの発生を抑制してガスタービン１の排気G中のNOｘ量を低減するためであり、シェルノズル５ＢＮからの蒸気ｓ２の噴射は、大気温度が高く、ガスタービン１の排気温度制御によっても出力の増加が行えないときに、空気圧縮機２から吐出される圧縮空気に蒸気を噴射して燃焼温度の低減を図って排気Gの温度を低減させ、排気温度が低下した分、燃料fを増加させて出力を増加させるためである。
【００１５】
次に、上記構成のガスタービン設備の低負荷運転、中負荷運転、高負荷運転について図３を併用して説明する。
【００１６】
まず、低負荷運転とは、ガスタービン１が部分負荷時で、排気温度制御線に達してなく、燃料の増加が可能な領域であり、中負荷運転とは、排気温度制御線に到達し、排気温度の制限から燃料の増加（出力増加）ができなくなる領域である。ただし、蒸気噴射量を増加させることにより排気温度を低下させたときには燃料の増加（出力増加）が可能な領域である。また、高負荷運転とは、蒸気噴射量が上限値に達し、これ以上燃料の増加ができない領域で、ガスタービン１の最大出力時を云う。
【００１７】
そして、前記蒸気制御弁７は、制御装置９からの指令により、低負荷〜高負荷の全ての領域で出力に対する関数で制御されるもので、排気中のＮＯｘ低減用に最低限必要な蒸気噴射制御線ＳＮに沿って制御され、制御装置９からの流量指令と蒸気流量計１０での実流量との偏差をなくすように制御される。
【００１８】
前記蒸気制御弁８は、制御装置９からの指令により、蒸気流量計１０，１１の合計流量を負荷に基づいて出力増加用に必要な最大の蒸気噴射制御線ＳＰ又は蒸気噴射量上限線ＳＬに沿って制御される。低負荷運転時には最少流量に固定し、排気温度制御線に到達した中負荷運転時には一定割合で蒸気噴射制御線ＳＰとなるように制御される。そして出力が増加して蒸気噴射量上限線ＳＬに到達した後の高負荷運転時は、出力に対する関数で制御される。このように、蒸気制御弁８は、負荷上昇により蒸気噴射制御線ＳＰから蒸気噴射量上限線ＳＬに制御方法が変化する。
【００１９】
燃料制御弁６は、制御装置９からの指令により、低負荷運転時には目標出力と実出力との偏差を補うように制御され、中負荷〜高負荷運転時には、排気温度制御線に沿って燃焼温度が一定となるように、温度センサ１２の計測値に基づいて制御される。この温度センサ１２の計測値に基づいて燃料の流量制御を行う制御方式を排気温度制御と云う。
【００２０】
一方、ガスタービン１を排気温度で制御する目的は、ガスタービン起動時には排気温度上昇率を制御して高温ガス通路部に発生する熱応力を低減し、負荷運転中には排気温度上限値を制御することで燃焼温度の上限を制御するものである。負荷運転時に、空気圧縮機２の入口を全開とした場合のガスタービン出力ＴＣは図示のように変化し、排気温度制御線に到達すると燃焼温度が一定に制御される。これは、制御装置９により温度センサ１２の排気温度測定値に基づいて燃料制御弁６を制御することで燃焼温度の上限を一定にしている。
【００２１】
そして、ガスタービン１は、上限の燃焼温度を一定に運転しているときに、云い代えれば定格負荷運転時に効率が最大となる。したがって、上限燃焼温度を一定にしながら蒸気を噴射させれば、燃料消費量と蒸気噴射量を最小限に維持することができる。因みに、大気温度１５℃でガスタービン１を起動し、負荷運転を開始すると、ガスタービン出力の増加とともに排気温度は上昇する。
【００２２】
そして、例えば５７０℃の排気温度上限値においてガスタービン１は、燃料の増加が制限され、それ以上の出力の増加ができなくなる。この間、蒸気噴射量に関しては、ＮＯｘ低減用の蒸気噴射系統５Ａは、蒸気制御弁７によって蒸気噴射制御線ＳＮに沿うように蒸気ｓ１が噴射され、出力増加用の蒸気噴射系統５Ｂは、蒸気ｓ２の供給を停止させず、蒸気制御弁８によって例えば全開時の１０％の開度をもって最少流量、云い代えれば出力を変動させない量の蒸気ｓ２が噴射される。したがって、出力増加用の蒸気噴射系統５Ｂは水滴の発生はなくなる。
【００２３】
そして、排気温度制御線に到達し、これ以上の量の燃料ｆの噴射ができない状態において、設定（目標）出力が現状出力値以上である場合には、制御装置９により、出力増加用の蒸気噴射系統５Ｂの蒸気制御弁８の開度を大きくして蒸気噴射制御線ＳＰに向けて蒸気ｓ２を一定の割合で増加するように噴出してゆく。このとき、出力増加用の蒸気噴射系統５Ｂには既に最少流量の蒸気ｓ２が供給されているので、ゼロからの蒸気ｓ２の供給に比べて円滑に蒸気ｓ２の供給が行えるので、蒸気噴射開始の遅れは解消される。
【００２４】
この出力増加用の蒸気噴射系統５Ｂからの蒸気ｓ２の噴射量の増加により、燃焼温度が低下して排気温度が低下するので、この排気温度を検出して制御装置９により燃料供給系統４の燃料制御弁６を開いて燃料ｆの噴射量を増加させ、出力を増加させることができる。蒸気ｓ２の噴射量を一定の割合で増加させ、蒸気噴射制御線ＳＰに達すると、それ以上の量の蒸気ｓ２の噴射は出来なくなるので、これがガスタービンの最大出力となる。
【００２５】
尚、蒸気噴射制御線ＳＰを超えて蒸気ｓ２の噴射量を増加させた場合、蒸気ｓ２に対する燃料ｆの比率が小さくなるので、燃焼器３内での燃焼が不安定となり失火する可能性があるので、蒸気ｓ２の噴射量を蒸気噴射制御線ＳＰを超えないように制御している。
【００２６】
また、排気温度は、蒸気ｓ２の噴射量によって変化するので、排気温度が上限値に到達していないときに、実際の燃焼温度が上限値を超えることがないように、排気温度上限値は制御装置９によって蒸気ｓ２の最大噴射量に基づいて設定されている。
【００２７】
このように、蒸気ｓ２の噴射量の増加に伴い燃料ｆの噴射量を増加させて排気温度の補正を行うことで、ガスタービン１は、排気温度制御線上に沿って運転しながら出力を増加させることが可能となる。このことはガスタービン１の効率向上と蒸気ｓ２の噴射量の低減に役立つ。
【００２８】
以上説明したように本実施の形態によれば、排気中のＮＯｘ量が規定値以下になる最低限の蒸気噴射量を選択し、出力増加の必要がないときには、出力増加用の蒸気噴射系統５Ｂ内に、出力を変動させることがない量の蒸気ｓ２を供給しておくことで、出力増加用の蒸気噴射系統５Ｂ内に水滴の発生を防止できるとともに、出力増加の指令があったときには、即、蒸気ｓ２の供給（噴射）量を増加できるので、蒸気噴射開始の遅れがなくなって出力の変動を回避することができる。
【００２９】
ところ上記実施の形態では蒸気を供給することを説明したが、蒸気に代えて水を供給することでも上記実施の形態と同等の作用効果を奏することは云うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による水又は蒸気噴射型ガスタービンを示すブロック図。
【図２】図１に示す燃焼器近傍の拡大断面図。
【図３】本発明による水又は蒸気噴射型ガスタービンの制御方法を行う上でのガスタービン出力に対する蒸気噴射量と排気温度との関係を示す線図。
【符号の説明】
【００３１】
１…ガスタービン、２…空気圧縮機、３…燃焼器、４…燃料供給系統、５…蒸気供給系統、５Ａ…ＮＯｘ低減用の蒸気噴射系統、５Ｂ…出力増加用の蒸気噴射系統、６…燃料制御弁、７，８…蒸気制御弁、９…制御装置、１０，１１…蒸気流量計、１２…温度センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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