(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気吸入部に入口案内翼を備えた圧縮機と、
独立した燃料供給の可能な複数の燃料系統を有し、該複数の燃料系統からの燃料と前記圧縮機で圧縮された空気を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記圧縮機と同軸に接続され、前記燃焼器からの燃焼ガスによって回転して前記圧縮機を駆動する高圧タービンと、
該高圧タービンと独立した軸構造を有し、該高圧タービンからの排ガスによって回転して負荷を駆動する低圧タービンと、
前記圧縮機で圧縮された空気をガスタービン外へ抽気する抽気流路と、
該抽気流路に抽気された空気を前記燃焼器へ戻す注入流路と、
前記圧縮機の空気流量、前記燃焼器に供給される燃料流量、および前記注入流路における空気温度に基づいて前記複数の燃料系統のそれぞれに供給される燃料流量を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記ガスタービンの定格回転数無負荷条件に至る前の段階である起動時に、前記圧縮機の空気流量、前記燃焼器に供給される燃料流量、および前記注入流路における空気温度に基づいて、前記複数の燃料系統のうち新たに燃料供給を開始する燃料系統を増加するタイミングを制御することを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項２】
空気吸入部に入口案内翼を備えた圧縮機と、
独立した燃料供給の可能な複数の燃料系統を有し、該複数の燃料系統からの燃料と前記圧縮機で圧縮された空気を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記圧縮機と同軸に接続され、前記燃焼器からの燃焼ガスによって回転して前記圧縮機を駆動する高圧タービンと、
該高圧タービンと独立した軸構造を有し、該高圧タービンからの排ガスによって回転して負荷を駆動する低圧タービンと、
前記圧縮機で圧縮された空気をガスタービン外へ抽気する抽気流路と、
該抽気流路に抽気された空気を前記燃焼器へ戻す注入流路と、
前記圧縮機の空気流量、前記燃焼器に供給される燃料流量、および前記注入流路における空気温度に基づいて前記複数の燃料系統のそれぞれに供給される燃料流量を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記ガスタービンの定格回転数無負荷条件に至る前の段階である起動時に、前記注入流路の空気温度が所定値未満のとき、前記注入流路の空気温度が所定値以上であった場合と比べて、前記複数の燃料系統のうち燃料供給中の燃料系統のそれぞれに供給される燃料流量が増加した状態において、前記複数の燃料系統のうち燃料を供給していない新たな燃料系統への燃料供給を開始することを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の２軸ガスタービンにおいて、
前記抽気流路を介して内部に取り込んだ空気に所定の処理を施して前記注入流路に排出する外部機器をさらに備えることを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の２軸ガスタービンにおいて、
前記入口案内翼の開度検出器と、
前記圧縮機または前記高圧タービンの回転数検出器と、
前記燃焼器に供給される燃料の流量検出器と、
前記注入流路における空気の温度検出器とをさらに備え、
前記制御装置は、前記開度検出器及び前記回転数検出器の出力から算出される前記圧縮機の空気流量と、前記流量検出器の出力と、前記温度検出器の出力とに基づいて前記複数の燃料系統のそれぞれに供給される燃料流量を制御することを特徴とする２軸ガスタービン。
【請求項５】
空気を圧縮する圧縮機と、独立した燃料供給の可能な複数の燃料系統を有し、該複数の燃料系統からの燃料と前記圧縮機で圧縮された空気を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記圧縮機と同軸に接続され、前記燃焼器からの燃焼ガスによって回転して前記圧縮機を駆動する高圧タービンと、該高圧タービンと独立した軸構造を有し、該高圧タービンからの排ガスによって回転して負荷を駆動する低圧タービンとを備える２軸ガスタービンの制御方法であって、
前記圧縮機で圧縮された空気をガスタービン外へ抽気して前記燃焼器へ戻す第１手順と、
前記圧縮機の空気流量、前記燃焼器に供給される燃料流量、および前記第１手順で前記燃焼器に戻す空気の温度に基づいて前記複数の燃料系統のそれぞれに供給される燃料流量を制御する第２手順とを備え、
前記第２手順は、前記ガスタービンの定格回転数無負荷条件に至る前の段階である起動時に、前記圧縮機の空気流量、前記燃焼器に供給される燃料流量、および前記第１手順で前記燃焼器に戻す空気の温度に基づいて、前記複数の燃料系統のうち新たに燃料供給を開始する燃料系統を増加するタイミングを制御することを特徴とする２軸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、ガスジェネレータとパワータービンを備えた２軸ガスタービンであって、圧縮空気がガスタービン外部を経由して燃焼器に再流入する構造を備えたガスタービンに関わり、特に起動時の安定燃焼制御に好適なガスタービンの燃料制御に関わる。
【背景技術】
【０００２】
２軸ガスタービンには、圧縮機、複数の燃料系統を備えた燃焼器および当該圧縮機と同軸に接続された高圧タービンを有するガスジェネレータと、負荷（例えば発電機）に接続されるパワータービン（低圧タービン）とを備え、ガスジェネレータの回転軸とパワータービンの回転軸を分離したものがある。このガスタービンでは、高圧タービンと低圧タービンそれぞれの回転数は独立に制御可能となっている。
【０００３】
特許第４９７２５３３号には、ガスタービン外に設置される外部機器として増湿装置と再生熱交換器を備え、さらに複数の燃料系統を備えた１軸ガスタービンが開示されており、当該１軸タービンには、圧縮空気を増湿装置へ供給する抽気流路と、再生熱交換器から燃焼器に空気を供給する注入流路が備えられている。そして、再生熱交換器の温度状態によって燃焼用空気の温度が変化する際にも、発電量と燃焼空気温度の関係をもとに燃料系統を切り替える（複数の燃料系統のうち着火する燃料系統の数を選択的に増減させること）ことにより、ガスタービンの運用性と燃料安定性の両立を可能にする方法が開示されている。
【０００４】
また、特許第４４６４２２６号には、外部機器として増湿塔と再生熱交換器を有する１軸ガスタービンを備えるプラントの燃焼空気温度が変動した場合に、燃焼空気温度をもとに出力補助制御因子を修正することで、安定かつ高速にプラントを起動可能な制御方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４９７２５３３号
【特許文献２】特許第４４６４２２６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
負荷として発電機が接続されたガスタービンを起動して定格回転数無負荷条件にした場合を考える。まず、圧縮機、タービン及び発電機が同軸に接続される１軸ガスタービンでは、定格回転数無負荷条件に至る前の段階での燃料系統の切り替え（「燃焼モードの切り替え」とも称する）は行われない。そして、定格回転数無負荷条件では、投入した燃料のエネルギーでタービンを回転させ、その出力で圧縮機を駆動する。このとき無負荷条件では発電機の駆動力はほとんど必要としない。
【０００７】
これに対して上記の２軸ガスタービンを定格回転数無負荷条件にした場合には、パワータービンを回転させるためのエネルギーはほとんど必要ないので、燃料流量は１軸ガスタービンに比べると少なくてすむ。このときガスジェネレータは、１軸ガスタービンに比べて少ないタービン出力で圧縮機を駆動することになって回転数が下がるため、圧縮機入口案内翼（ＩＧＶ）の開度を小さくして吸い込み空気量を少なくすることで、燃空比（混合気の燃料質量を空気質量で除した値）を大きくして、回転数を維持するように制御される。そして、２軸ガスタービンのパワータービンにポンプなどの回転機械（被駆動機）を接続して機械駆動機として使用する場合、当該被駆動機の負荷によってはガスタービン起動完了時の回転数や燃空比が、発電機駆動の場合よりもさらに大きくなることもある。
【０００８】
このように２軸ガスタービンでは、起動完了時の燃空比が１軸ガスタービンに比べて大きくなる傾向があり、さらに、発電開始前の部分回転数条件（すなわち定格回転数無負荷条件に至る前の段階）においても、複数の燃料系統を備えた燃焼器の燃焼状態を最適に保持するために「燃焼モードの切り替え」を実施する必要が生じる場合がある。
【０００９】
特に、圧縮機で圧縮した空気（燃焼空気）をガスタービン外に一旦抽気した後にガスタービン内の燃焼器に戻す構造（例えば、ガスタービン外で圧縮機と燃焼器をバイパス管で接続する構造や、増湿塔および再生熱交換器などの外部機器を介した後に燃焼器に導入する構造）が２軸タービンに存在する場合には、当該構造の通過中に生じる熱交換により空気温度が低下して燃焼器に導入される混合気の燃空比がさらに上昇するので、部分回転数無負荷条件でも低ＮＯｘ安定燃焼を維持するために「燃焼モードの切り替え」を実施する必要性が更に高まる。
【００１０】
この点に関して上記の特許第４９７２５３３号および特許第４４６４２２６号はともに１軸ガスタービンに関する技術であるため、部分回転数無負荷条件で燃焼モードの切り替えを実施する必要がそもそも無い。さらに、特許第４９７２５３３号の技術において、発電開始前の部分回転数条件で燃焼モードの切り換えを行おうとしても、当該技術では発電量と燃焼空気温度をもとに切り替え制御しているので、発電開始前には適用することが不可能である。
【００１１】
本発明の目的は、起動完了前（特に部分回転数無負荷条件の場合）に燃焼空気（圧縮空気）をガスタービン外に一旦抽気することで燃焼空気温度が変化しても、低ＮＯｘかつ安定した燃焼を維持できる２軸ガスタービンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る２軸ガスタービンは、上記目的を達成するために、空気吸入部に入口案内翼を備えた圧縮機と、独立した燃料供給の可能な複数の燃料系統を有し、該複数の燃料系統から燃料と前記圧縮機で圧縮された空気を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記圧縮機と同軸に接続され、前記燃焼器からの燃焼ガスによって回転して前記圧縮機を駆動する高圧タービンと、該高圧タービンと独立した軸構造を有し、該高圧タービンからの排ガスによって回転して負荷を駆動する低圧タービンと、前記圧縮機で圧縮された空気をガスタービン外へ抽気する抽気流路と、該抽気流路に抽気された空気を前記燃焼器へ戻す注入流路と、前記圧縮機の空気流量、前記燃焼器に供給される燃料流量、および前記注入流路における空気温度に基づいて前記複数の燃料系統のそれぞれに供給される燃料流量を制御する制御装置とを備えるものとする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、起動完了前に２軸ガスタービンにおいて圧縮空気をガスタービン外に一旦抽気することで当該空気の温度が変化した際にも、燃料系統の切り替えを可能にすることで、低ＮＯｘかつ安定した燃焼を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る２軸ガスタービンの全体概略構成図である。
【図２】ガスジェネレータ回転数（高圧タービン回転数）と圧縮機入口案内翼開度の関係を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る燃料ノズル５と空気孔６の詳細構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る空気孔プレート７を燃焼器下流側から見た図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るガスタービンシステムの制御器４００の構成図である。
【図６】関数発生器４１１における補正値４０３の算出方法の一例であり、注入空気温度３０１と補正値４０３の関係を示す図である。
【図７】空気温度に基づいた燃焼制御指令４０２の補正方法の一例であり、燃料流量指令４０１、燃焼制御指令４０２および補正燃焼制御指令４０４と時刻との関係を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係るガスタービンシステムの制御器４００Ａの構成図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係るガスタービンシステムの制御器４００Ｂの構成図である。
【図１０】ガスジェネレータの回転数から起動完了信号４０５を算出するための関係図である。
【図１１】ガスタービン起動時からの時間から起動完了信号４０５を算出するための関係図である。
【図１２】空気温度Ｔから暖機完了信号３０１ａを算出するための関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜第１の実施の形態＞
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。  
図１は本発明の第１の実施の形態に係る２軸ガスタービンの全体概略構成図である。
【００１６】
この図１に示すように、２軸ガスタービンは、主として、ガスジェネレータ４と、パワータービン２３と、抽気流路２６と、外部機器２５と、注入流路２７と、制御器４００を備えている。
【００１７】
このうちガスジェネレータ４は、主として、空気吸入部に入口案内翼（ＩＧＶ）１５を有し空気１００を圧縮して高圧の圧縮空気１０１を生成する圧縮機１と、圧縮機１から外部機器２５を経由して導入される圧縮空気１０２と燃料２０１〜２０４とを燃焼させて燃焼ガス１０５を生成する燃焼器２と、燃焼器２で生成された燃焼ガス１０５によって回転駆動される高圧タービン３とから構成されている。圧縮機１と高圧タービン３はガスジェネレータの同じ回転軸２１で連結されており、圧縮機１は高圧タービン３によって駆動される。
【００１８】
抽気流路２６は、圧縮機１で圧縮された圧縮空気１０１を抽気しガスタービン外に設置された外部機器２５に導入するための流路である。外部機器２５は、ガスタービンの外部に設置され、抽気流路２６を介して外部機器２５の内部に取り込んだ圧縮空気１０１に対して所定の処理を施して注入流路２７に排出する機器であり、例えば、圧縮空気１０１を加湿する増湿塔や、ガスタービン排ガスと熱交換することで圧縮空気１０１を加熱する再生熱交換器等のプラント機器がこれに該当する。注入流路２７は、外部機器２５から排出された圧縮空気１０２を燃焼器２に戻すための流路である。燃焼器２は互いに独立した燃料供給の可能な複数の燃料系統を備えており、本実施の形態の燃焼器２は燃料２０１〜２０４が導入される４つの燃料系統を備えている。
【００１９】
一方、パワータービン（低圧タービン）２３は、ガスジェネレータの高圧タービン３からの燃焼ガス１０６によって駆動される。パワータービン２３の回転軸２２は、ガスジェネレータの回転軸２１と独立した軸構造を有している。負荷となる発電機２４は、回転軸２２を介してパワータービン２３と連結されており、パワータービン２３によって駆動される。そして、ガスジェネレータ４とパワータービン２３の回転数Ｎ１，Ｎ２は、それぞれ回転数検出器３０５（Ｎ１）、３０６（Ｎ２）によって計測され、制御器４００によってそれぞれ独立に制御されている。
【００２０】
次に回転数の制御方法について説明する。まず、パワータービン２３の回転数は、４つの燃料系統にそれぞれ設置された燃料流量調節弁２１１〜２１４の開度を制御器４００によって変更して燃料２０１〜２０４の流量をそれぞれ増減することによって制御されている。発電機２４が他の発電機と独立である場合にその電力消費量が増加すると、発電機２４およびパワータービン２３の回転数が低下するが、目標回転数と実回転数Ｎ２（Ｎ２は回転数検出器３０６により検出され制御器４００に入力される）の差に基づいて燃料２０１〜２０４の流量が増加され、実回転数Ｎ２を目標回転数に保つように制御されている。逆に、電力消費量が減少すると発電機２４およびパワータービン２３の回転数が増加するが、目標回転数と実回転数Ｎ２の差に基づいて燃料２０１〜２０４の流量が減少し、実回転数Ｎ２を常に目標回転数に保つように制御されている。
【００２１】
一方、発電機２４が他の発電機とともに電力系統と連係している場合、発電機２４およびパワータービン２３の実回転数Ｎ２は電力系統の周波数と一致しているので、実回転数Ｎ２を直接制御する代わりに、発電機２４への出力指令の増減に比例して燃料２０１〜２０４の流量を増減させて制御している。
【００２２】
次に、ガスジェネレータ４側の回転数Ｎ１（Ｎ１は回転数検出器３０５により検出され制御器４００に入力される）の制御について説明する。燃料流量は、上述したようにパワータービン側の回転数制御で決められるが、この燃料流量の増減によって高圧タービン３の出力も増減する。それに対して高圧タービン３の出力と圧縮機１の動力がバランスするように、入口案内翼１５の開度を変更して制御する。具体的には、図２に示すように、燃料流量の増加に伴い高圧タービン３の出力が増加して、回転数Ｎ１（図２の横軸）が増加すると、入口案内翼開度（図２の縦軸）を増加させる方向に制御がはたらき、圧縮機１の動力を増加させることで、高圧タービン３の出力と圧縮機１の動力をバランスさせる。逆に、燃料流量の減少に伴い高圧タービン３の出力が減少して、図２横軸の回転数が低下すると、図２縦軸の入口案内翼開度を減少させる方向に制御がはたらき、圧縮機１の動力を減少させることで、やはり高圧タービン３の出力と圧縮機１の動力をバランスさせることができる。そして高回転数域では図２のＡで示した実線のように、ガスジェネレータ４の回転数Ｎ１に対して、圧縮機入口案内翼１５の開度の変化を大きくすることによって、回転数一定の制御が可能となっている。
【００２３】
次に燃焼器２について、図１の上部にその断面概略を示して説明する。
【００２４】
燃焼器２は、燃料（２０１〜２０４）を噴射する多数の燃料ノズル５と、各燃料ノズル５に対向し燃焼用空気１０４が通過する空気孔６を多数備えた概略円盤状の空気孔プレート７と、空気孔プレート７の下流かつ外周に配置され、空気孔６を出た燃料と空気の混合気を燃焼させる燃焼室８を形成する概略円筒状の燃焼器ライナ９と、これらの構成部品を内部に収納する概略円筒状の燃焼器外筒１０と、燃焼器外筒１０の端部に配置され燃料ノズル５が取り付けられるとともに燃料の供給流路となっている概略円盤状の燃焼器カバー１１とを備えている。
【００２５】
圧縮機１で圧縮された空気１０１は、抽気流路２６を通ってガスタービン外の外部機器２５に導かれる。ここで外部機器２５とは具体的には増湿装置や再生熱交換器などのプラント機器である。外部機器２５を出た後の圧縮空気１０２は注入流路２７を通ってガスタービン内の燃焼器２に流入するが、その途中で注入流路２７に設置された温度検出器３０１によって注入空気の温度が計測され、温度検出器３０１の信号は制御器４００に入力される。その後、燃焼器２に流入した空気１０２はライナフロースリーブ１２と燃焼器ライナ９の間を流れる。その空気１０２の一部は、燃焼器ライナ９の冷却空気１０３として燃焼室８に流入する。また、その空気の残りは燃焼用空気１０４として空気孔プレート７に設けられた空気孔６を通り燃焼室８に流入する。
【００２６】
本実施の形態の４つの燃料系統は、それぞれ流量調節弁２１１〜２１４を備えており、流量調節弁２１１〜２１４の開度を制御器４００から出力される信号で制御して燃料２０１〜２０４の流量を個別に制御することができる。
【００２７】
図１に示すように、本実施の形態の燃焼器２は複数本の燃料ノズル５を備えており、各燃料ノズル５は、４つの燃料ヘッダー２３１〜２３４のいずれかに接続されている。本実施の形態においては、燃料ヘッダー２３１は燃焼器軸中心に位置する概略円柱状の空間である。また、残りの燃料ヘッダー２３２〜２３４は、それぞれ燃料ヘッダー２３１と中心が同じで半径の異なる概略環状の空間であり、燃料ヘッダー２３２は燃料ヘッダー２３１を外周から取り囲むように配置され、燃料ヘッダー２３３は燃料ヘッダー２３２を外周から取り囲むように配置され、燃料ヘッダー２３４は燃料ヘッダー２３３を外周から取り囲むように配置されている。
【００２８】
４つの燃料ヘッダー２３１〜２３４には、燃料２０１〜２０４が個別に供給される。このような構成により複数の燃料ノズル５は、４つの燃料系統（燃料ヘッダー２３１に接続された燃料ノズル５から成るＦ１群（図４参照）、燃料ヘッダー２３２に接続された複数の燃料ノズル５から成るＦ２群（図４参照）、燃料ヘッダー２３３に接続された複数の燃料ノズル５から成るＦ３群（図４参照）、および燃料ヘッダー２３４に接続された複数の燃料ノズル５から成るＦ４群（図４参照））に群分けすることができる。それぞれの燃料系統ごとに燃料制御が可能であり、各燃料系統に属する燃料ノズル５をまとめて燃料制御できる。
【００２９】
図３に燃料ノズル５と空気孔６の詳細を示す。図３では燃料ヘッダー２３１に接続するＦ１群のうちの１本の燃料ノズル５を例に説明するが、他のＦ２〜Ｆ４群でも同様である。
【００３０】
燃料ノズル５は概略円筒状であり、その一端は燃料ヘッダー２３１に接続しており、燃料ノズル５の内部には燃料２０１が流れる構造となっている。燃料ノズル５のもう一端は空気孔プレート７に設けられた空気孔６に対してほぼ同軸上に対向しており、燃料２０１は空気孔６を通過する空気１０４に包み込まれて空気孔６を通過し、燃焼室８内へ噴出される。
【００３１】
図４は空気孔プレート７を燃焼器下流側から見た図である。本実施形態においては、多数の空気孔６（および、図示されていないが空気孔と対を成す燃料ノズル５）は同心状に８列配置されている。また、中心から４列（第１列〜第４列）が第１群（Ｆ１）、第５列が第２群（Ｆ２）、その外側の２列（第６、７列）が第３群（Ｆ３）、最外周（第８列）が第４群（Ｆ４）と群分けされており、図１に示した様に、Ｆ１〜Ｆ４それぞれの群ごとに燃料ヘッダー２３１〜２３４に設けたフランジ（４１〜４４）を通して燃料（２０１〜２０４）が供給できるようになっている。このような燃料系統の群分け構造により、ガスタービンの燃料流量変化に対し燃料供給する燃料ノズル５の本数（すなわち着火する燃料ノズル５の本数）を段階的に変化させる燃料ステージングが可能となり、ガスタービン部分負荷運転時の燃焼安定性が高まるとともに低ＮＯｘ化が可能となる。
【００３２】
さらに中央の４列（Ｆ１）の空気孔はピッチ円接線方向に所定の角度（図３中のα°）を持った斜め穴にすることで、空気流全体に旋回をかけ、これにより生じる循環流によって火炎を安定化させている。Ｆ１の周囲のＦ２〜Ｆ４は、中央のＦ１バーナの燃焼熱によって火炎が安定化される。
【００３３】
次に、この燃焼器２の運転方法について図１および図４を用いて説明する。まず、燃料流量が比較的少ない着火および昇速時の初期（つまり部分回転数無負荷条件）は中央のＦ１のみで運転（すなわち、流量調節弁２１１を開きかつ流量調節弁２１２〜２１４を閉じて燃料２０１のみを供給）する。回転数が上昇し、定格回転数無負荷条件付近になって燃焼器全体の燃空比が高くなると、今度はＦ１の外周のＦ２にも燃料を投入して、Ｆ１＋Ｆ２で運転する。すなわち、燃料２０１および２０２を供給し、流量調整弁２１１および２１２により各燃料２０１，２０２の流量を制御する。このように燃料を供給する燃料系統の数を増減させることを「燃料系統の切り替え」と呼ぶ。本実施の形態では、発電開始前の部分回転数条件の段階でＦ１のみの運転からＦ１＋Ｆ２の運転への燃料系統の切り替えを行い、その後Ｆ１＋Ｆ２で運転した状態で定格回転数無負荷条件まで昇速させ、それ以降の負荷上昇過程でもＦ１＋Ｆ２の燃料流量（燃料２０１と燃料２０２の流量の合計）を増加させることにより負荷の上昇に対応して運転する。
【００３４】
次に、さらに負荷が大きくなって燃焼器２全体の燃空比（混合気中の燃料質量を空気質量で除した値）がさらに高くなると、Ｆ２の周囲のＦ３に燃料２０３を供給し、Ｆ３に着火して運転する。この間の燃料流量増加は、ガスタービンの起動計画に定められた負荷上昇率に従ってガスタービン発電量が増加する様に、流量調整弁２１１、２１２および２１３によって燃料流量が制御される。また、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３各系統の燃料流量配分は、燃焼が安定しかつ生成するＮＯｘが最小となる様に定められた比率で供給される。
【００３５】
ガスタービンの負荷がさらに大きくなった高負荷運転時においては、主として最外周のＦ４の燃料２０４の流量を増減させて対応する。このときＦ４燃料と空気の混合気は、Ｆ１〜Ｆ３までの燃焼ガスと混合して高温になるため、燃料の酸化反応が進行し、高い燃焼効率を得ることができる。また燃焼完結後の温度をＮＯｘ生成が顕著となる温度（おおよそ１６００℃）以下になるよう空気配分が設定されているため、Ｆ４からのＮＯｘ発生を抑える燃焼が可能となる。また投入したＦ４燃料がごくわずかでも反応が完結するため、連続的な燃料切り換えが可能となり、運用性が向上する。
【００３６】
さて、本実施の形態に係る制御器（制御装置）４００の詳細について、制御器４００の構成を図５に示して説明する。図５において、制御器４００は、燃焼制御指令４０２を出力する演算器（燃料制御指令計算器）４１０と、補正値４０３を出力する関数発生器４１１と、燃焼制御指令４０２を補正値４０３で補正した補正燃焼制御指令４０４を出力する乗算器４１２と、燃料流量調節弁２１１，２１２，２１３，２１４に対する開度指令を出力する演算器４１３（燃料流量調節弁開度指令計算器）を備えている。
【００３７】
演算器４１０には、回転数検出器３０５によって検出されたガスジェネレータ４の回転数Ｎ１と、開度検出器３０２によって検出された圧縮機１の入口案内翼１５の開度と、温度検出器３０１によって検出された注入空気温度Ｔが入力される。制御器４００内では、燃料流量指令４０１が算出されており、その値は演算器４１０と演算器４１３に入力される。ここで、燃料流量指令４０１は、たとえば、点火制御指令、起動制御指令、負荷制御指令（または回転数制御指令）、排気温度制御指令などから別途計算される。演算器４１０では、これらの入力値をもとに燃焼制御指令４０２が出力される。燃焼制御指令４０２は燃焼器２全体の燃焼の度合いを示す指標である。入力と出力の関係としては、燃料流量指令４０１が大きいほど燃焼制御指令４０２が大きく、ガスジェネレータ４の回転数Ｎ１（検出器３０５の出力）と圧縮機１の入口案内翼開度（検出器３０２の出力）が小さいほど（すなわち圧縮空気流量が小さいほど）燃焼制御指令４０２が大きくなる関係にある。
【００３８】
次に演算器４１３の働きを説明するために、燃料流量指令４０１と燃焼性能の関係を説明する。燃焼器２の性能面からは、燃料流量指令４０１は、その値が小さいとＮＯｘ排出量は小さいが燃焼の安定性が小さく消炎の可能性が大きくなり、逆にその値が大きいと燃焼の安定性は高いがＮＯｘの発生量は多くなる方向に変化する指標である。そこで、起動開始直後で補正燃焼制御指令４０４（関数発生器４１１の出力が１の場合には燃焼制御指令４０２と同値となる（以下同様））が小さいときは４系統あるＦ１〜Ｆ４の燃料系統のうち、Ｆ１のみで燃焼させ、その後、補正燃焼制御指令４０４が大きくなるにつれてＦ１＋Ｆ２、Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３、Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３＋Ｆ４と、点火する燃料系統の数（つまり燃料供給を開始する燃料系統の数）を順に増加させることで、低ＮＯｘ化と安定燃焼を両立している。このように、演算器４１３は、補正燃焼制御指令４０４の値に応じてＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の中で点火する燃料系統を決定し、各燃料系統へ供給する燃料２０１，２０２，２０３，２０４の流量を算出して各燃料流量調節弁２１１，２１２，２１３，２１４の開度指令を出力しているのが演算器４１３である。
【００３９】
演算器４１３が燃料系統を切り替えるトリガーとなる補正燃焼制御指令４０４の値（切り替えしきい値（後述））が決められており、ここでは、Ｆ１からＦ１＋Ｆ２に切り替える補正燃焼制御指令４０４の値をＡ０（図７参照）、Ｆ１＋Ｆ２からＦ１＋Ｆ２＋Ｆ３に切り替える値をＡ１、Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３からＦ１＋Ｆ２＋Ｆ３＋Ｆ４に切り替える値をＡ２として説明する（ただし、Ａ０＜Ａ１＜Ａ２）。燃料系統の切り替えの実施以後は、燃料流量指令４０１の増加により各燃料系統に供給される燃料の流量はそれぞれ増加される。そして、次の燃料系統の切り替えにより燃料供給対象の燃料系統が新たに追加されたタイミングでは、それまでに燃料供給のあった燃料系統の燃料流量は一旦減少するものの、追加された燃料系統に供給される燃料流量が当該減少分を上回るので、燃料系統の切り替えが実施されても燃焼器２へ供給する燃料流量の総量としては単調に増加するように制御されている（例えば、Ｆ１からＦ１＋Ｆ２に切り替えた場合には、Ｆ１単独の場合よりＦ１の燃料流量は減少するが、Ｆ２の燃料流量が当該Ｆ１の減少分を上回るので燃料流量の総量としては燃料系統の切り替え後においても単調増加する。）。
【００４０】
次に、関数発生器４１１について説明する。図５に示すように、関数発生器４１１の入力は注入空気温度Ｔであり、出力は空気温度補正値４０３である。関数発生器４１１の働きについて、図６にその模式図を示して説明する。図６は制御器４００内の関数発生器４１１の入出力の関係を模式的に表したグラフである。図６の横軸は関数発生器４１１の入力である注入空気温度Ｔであり、縦軸は出力である補正値４０３である。
【００４１】
図６において、注入空気温度Ｔがあらかじめ定めた温度Ｔ２よりも高いときは、補正値は１であり、後述するように、補正後の燃焼制御指令４０４は、補正前の燃焼制御指令４０２に対して変化しない。これは、起動時に空気温度が十分高い場合は、燃焼状態が負荷運転時と変わらないため、起動時の温度補正を行わなくても運転できるためである。
【００４２】
そして、注入空気温度ＴがＴ２よりも低く、Ｔ１よりも高い範囲では、温度が低くなるほど補正値４０３が小さくなるように設定してある（すなわち、Ｔ２からＴ１の範囲でＴ２からＴ１に向かって温度低下する場合には補正値４０３は単調減少する）。これにより、演算器４１３に入力される見かけの燃焼制御指令４０４は実際の燃焼制御指令４０２よりも小さくなる。なお、温度Ｔ１は、温度Ｔ２同様にあらかじめ定めた温度であり、温度Ｔ２未満の値であるとする。
【００４３】
さらに、注入空気温度ＴがＴ１よりも低い場合には、補正値は０よりも大きく１よりも小さい所定の値で一定となるように設定してある。これは温度が想定以上に低い場合にも、ある燃焼制御指令以上になった場合には燃料系統の切り替えを実施することによって、燃焼器やタービン等の高温部材を過熱から保護するためである。また、次の乗算器４１２でゼロ割りや負の乗算を起こして制御が不安定になることを防止する目的もある。
【００４４】
ここで具体的には温度Ｔ１は大気温程度が望ましく、本実施形態ではたとえば１５℃と設定する。また、Ｔ２は燃焼性能上十分高い温度であることが望ましく、本実形態ではたとえば３００℃と設定する。
【００４５】
次に、燃焼制御指令４０２と、乗算器４１２で補正値４０３を乗じた後の補正燃焼指令４０４について説明する。図７の横軸はガスタービン起動時の時刻を示しており、縦軸は、上段の図が燃料流量指令４０１、中段の図が燃焼制御指令４０２、下段の図が補正燃焼制御指令４０４の挙動を示している。各図中の実線Ａは、注入流路２７を流下する注入空気の温度Ｔが十分高く温度Ｔ２（図６参照）を超える場合（すなわち補正値４０３が１の場合）を示し、点線Ｂは、外部機器２５との熱交換の影響等で注入空気の温度ＴがＴ２未満の場合（すなわち補正値４０３が１未満の場合）を示すものとする。なお、燃空比の変化は、燃焼制御指令４０２の変化とほぼ同じ傾向を示すため、図７の中段の図は燃空比の変化とみなして良い。
【００４６】
上段の図が示すように、ガスタービン起動時の燃料流量指令４０１は時間経過とともに増加し、これにより燃焼器２に導入される燃料２００の総量は時間とともに増加する。
【００４７】
中段の図における燃焼制御指令値Ａ０は、実線ＡのときにＦ１からＦ１＋Ｆ２への燃料系統の切り替えを行なっても支障の無い切り替えしきい値であり、実線Ａのとき燃料制御指令４０２がしきい値Ａ０に達するのはａの時点である。
【００４８】
実線Ａのとき、空気温度ＴはＴ２を超えることから、図６の補正値４０３は１であり、図７の下段の図の補正燃焼制御指令４０４は補正前の燃焼制御指令４０２と等しく、ａの時点でしきい値Ａ０に達しＦ１からＦ１＋Ｆ２への燃料系統の切り替えが発生する。
【００４９】
これに対して、点線Ｂの場合は、注入空気の温度Ｔが低く、上段の図に示すように実線Ａの場合に比して起動に要する燃料流量が若干増加するため、図７中段の図に点線Ｂで示したように、実線Ａに比べて燃焼制御指令４０２が増加する。そして、点線ＢのときにＦ１からＦ１＋Ｆ２への燃料系統の切り替えを行なっても支障の無い切り替えしきい値Ｂ０は、実線Ａのときのしきい値Ａ０に比べて高くなり、燃料系統の切り替えは点線Ｂがしきい値Ｂ０と交差する点ｂで行なうことが望ましい。つまり、空気温度ＴがＴ２未満のときには燃料供給中のＦ１の系統に係る燃料流量が増加した点ｂでＦ１＋Ｆ２に切り替えることが望ましい。これは、空気温度Ｔが低いために燃焼が不安定となり、同じしきい値Ａ０で切り替えると消炎する可能性があるためである。
【００５０】
しかしながら、従来は、起動時の部分回転数無負荷条件でも負荷運転時と共通の切り替えしきい値で燃料系統の切り替え制御をしており、これと同じ制御方式を２軸ガスタービンで適用して、例えば、注入空気の温度ＴがＴ２未満に低下して燃焼制御指令４０２が点線Ｂのようになった場合には、点線Ｂがしきい値Ａ０と交差するｂ１点で切り替えが発生してしまい、燃焼が不安定となり消炎する可能性がある。
【００５１】
この課題に対して、本実施の形態では、注入空気温度Ｔの低下により燃焼制御指令４０２が増加しても、関数発生器４１１及び乗算器４１２の機能により、燃焼制御指令４０２を補正により低減させた補正燃焼制御指令４０４を演算器４１３に出力することで、演算器４１３が注入空気温度Ｔの高い場合（Ｔ２より高い場合）と同じ切り替えしきい値Ａ０を利用しても最適なタイミングで燃料系統の切り替えが実行されるようにした。これにより、注入空気温度ＴがＴ２未満の場合には、Ｔ２を超える場合と比較して、４つの燃料系統Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４のうち燃料供給中のＦ１に供給する燃料流量を増加してから燃料系統の切り替え（Ｆ１からＦ１＋Ｆ２への切り替え）が行われることになる。
【００５２】
点線Ｂの場合の補正値４０３は、補正燃焼制御指令４０４が切り替えしきい値Ａ０に達したときに、燃焼制御指令４０２が切り替えしきい値Ｂ０（注入空気温度の低下（燃空比の増加）によりＡ０から増加した本来の切り替えしきい値）に達するように設定されている。点線Ｂ以外の場合（温度Ｔ２未満の他の温度の場合）の補正値４０３についても、補正燃焼制御指令４０４がＡ０に達するときに、燃焼制御指令４０２が本来の切り替えしきい値に達するように設定されている。
【００５３】
このように構成することにより、注入空気温度ＴがＴ２未満の場合における補正値４０３は、図６に示すように０より大きく１よりも小さい値をとるため、補正後の燃焼制御指令４０４は図７の下段の図に点線Ｂで示すように実線Ａよりも小さな値となる。例えば、点線Ｂのときの補正値４０３は、補正燃焼制御指令４０４がｂ点に達した時点でしきい値Ａ０に達して切り替えが発生するように設定されている。これは中段の図で本来切り替えが発生することが望ましいと述べたｂ点と同じである。
【００５４】
したがって、本実施の形態のように補正値４０３を設定することで、空気温度Ｔの高低に関わらず同じしきい値Ａ０で制御でき、起動時の外部機器２５の温度（低温又は高温の場合）やガスタービンの状態（定格回転運転時か否か、負荷運転時か否か等）を問わず、燃料系統の切り替え制御を統一的に行なうことができ、燃焼器２を低ＮＯｘかつ安定に運転できる。
【００５５】
＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。増湿器や再生熱交換器等の外部機器２５を備えたプラントにおいて、本発明の空気温度変化に基づいた燃料制御が必要となるのは、主として起動時とその後数分から十数分の時間帯である。該時間帯の経過により一度プラントが温まってしまえば、プラントを停止しない限り、空気温度が極端に低下することは、温度検出器３０１の指示異常以外には考えられない。そこで、本実施の形態では空気温度Ｔによる燃焼制御指令４０２の補正を起動に関わる所定の時間内に制限するための制御を付加した。
【００５６】
図８は本発明の第２の実施の形態に係る制御器４００Ａの構成図であり、この図に示した制御器４００Ａと図５に示した制御器４００との違いは、関数発生器４１１の出力である補正値４０３ａを高値選択器４１４の入力とし、これを起動完了信号４０５と比較して高いほうの値を補正値４０３ｂとして乗算器４１２に出力した点にある。なお、他の部分については第１の実施の形態と同じであるため、説明は省略する。
【００５７】
起動完了信号４０５は、たとえば図１０に示すような関数発生器によって発生される。該関数発生器は、ガスジェネレータの回転数（検出器３０５の出力）やパワータービンの回転数（検出器３０６の出力）をもとにガスタービンの起動完了時を判定し、起動中は０、起動完了後は１を出力する。図１０の例では、ガスジェネレータの回転数が定格回転数Ｎ０に達したら、起動完了信号４０５として１が出力される。高値選択器４１４において起動完了信号４０５の値と補正値４０３ａを比較して値が大きいほうが補正値４０３ｂとなるので、ガスタービンの起動完了後に空気温度がＴ２を下回って補正値４０３ａが１未満になるようなことがあっても、高値選択器４１４からは補正値４０３ｂとして１が出力されるので、補正燃焼制御指令４０４は燃焼制御指令４０２と同値となる（燃焼制御指令の補正は行われない）。
【００５８】
これによって、空気温度Ｔの補正を起動時に限定することができ、たとえば起動後１年間負荷運転を継続するようなプラントにおいて何らかの原因によって温度検出器３０１の信号が異常になった際にも、燃焼器２の正常な制御が維持できる。
【００５９】
これ以外にも、図１１に示すようにプラント外部機器２５が温まるまでの時間ｔ０をあらかじめ把握しておき、起動開始からの時間に基づいて起動完了信号４０５を出力することもできる。図１１の例では、ガスタービン起動開始時からの経過時間がｔ０未満のときは起動完了信号４０５としてゼロが出力され、ｔ０に達したら起動完了信号４０５として１が出力される。このように起動開始時からの経過時間に応じて起動完了信号４０５を出力しても、温度検出器の信号が異常になった際にも燃焼器２の正常な制御を維持できる。なお、時間ｔ０は、外部機器２５の暖機に要する時間を考慮して回転数Ｎ０に達する時刻よりも後に設定することが好ましいが、図１０中の回転数Ｎ０と独立して決定可能である。
【００６０】
＜第３の実施の形態＞
また別の実施の形態として、図９に示した制御器４００Ｂを利用しても良い。図９は本発明の第３の実施の形態に係る制御器４００Ｂの構成図であり、図１２は制御器４００Ｂの関数発生器４１５から出力される暖機完了信号３０１ａと空気温度Ｔの関係図である。
【００６１】
図９に示す制御器４００Ｂは、関数発生器４１５と、高値選択器４１６を備えている。関数発生器４１５は、図１２に示すように、温度検出器３０１の検出温度ＴがＴ０未満のときは暖機完了信号３０１ａとしてゼロが出力され、Ｔ０に達したら１が出力される。制御器４００Ｂは、温度検出器３０１の出力である空気温度Ｔを関数発生器４１５に入力し、該空気温度Ｔが図１２の温度しきい値Ｔ０を超えた時点で高値選択器４１６に対して暖機完了信号３０１ａとして１を出力する。高値選択器４１６は、関数発生器４１５から出力３０１ａとして１が一旦入力された以後は、高値選択器４１４に対して１の出力を保持する。こうすることで、空気温度ＴがいったんＴ０になって以降は、たとえ温度ＴがＴ０以下に下がった場合でも、燃焼制御指令の補正は行われない。
【００６２】
これによって、燃焼性能に直接影響する空気温度によって暖機完了を判定することができ、上述の図１０及び図１１で示した回転数や時間で判定するよりも正確な燃焼器制御が可能となる。そして燃焼制御指令の空気温度補正を低温での起動時に限定することができ、たとえば起動後１年間負荷運転を継続するようなプラントで何らかの原因で温度検出器３０１の信号が異常になった際にも、燃焼器２の正常な制御が維持できる。
【００６３】
なお、上記では部分回転数条件でＦ１からＦ１＋Ｆ２への燃料系統の切り替えを行う場合について説明したが、Ｆ１＋Ｆ２より後の燃料系統の切り替えを部分回転数条件で行う際にも本発明は適用可能であり、その場合も同様に、注入空気温度が充分高い場合に比して各燃料系統へ供給される燃料流量を増加させてから次の燃料系統への切り替えを行えば良い。
【００６４】
また、上記では抽気流路２６と注入流路２７の間に外部機器２５が存在する場合について説明したが、抽気流路２６と注入流路２７が直接接続されてバイパス流路を形成している場合（つまり外部機器２５が存在しない場合）にも、当該バイパス流路を通過する最中に当該流路との熱交換により圧縮空気１０１，１０２の温度低下が生じるため、本発明の適用が可能である。
【００６５】
また、上記の説明では、注入空気温度Ｔが変化した場合には燃焼制御指令を補正することで共通の切り替えしきい値Ａ０に基づいて燃料系統の切り換え制御を実行する場合について説明したが、燃焼制御指令４０２を演算器４１３に直接入力し、注入空気温度Ｔに応じて切り替えしきい値を変化させることで（つまり、上記の点線Ｂのときは切り替えしきい値をＢ０に変更する）、結果的に上記と同様の制御が行われるように構成しても良い。
【００６６】
また、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１…圧縮機、２…燃焼器、３…高圧タービン、４…ガスジェネレータ、５…燃料ノズル、６…空気孔、７…空気孔プレート、８…燃焼室、９…燃焼器ライナ、１０…燃焼器外筒、１１…燃焼器カバー、１２…ライナフロースリーブ、１５…圧縮機入口案内翼、２１…ガスジェネレータの回転軸、２２…パワータービンの回転軸、２３…パワータービン（低圧タービン）、２４…発電機、２５…外部機器、２６…抽気流路、２７…注入流路、４１〜４４…燃料供給フランジ（Ｆ１〜Ｆ４）、１００…ガスタービン吸い込み空気（大気圧）、１０１…圧縮空気（抽気空気）、１０２…圧縮空気（注入空気）、１０３…冷却空気、１０４…燃焼用空気、１０５…燃焼ガス、１０６…ガスジェネレータ排気ガス、１０７…パワータービン排気ガス、１０８…タービン排ガス、２００…燃料、２０１…Ｆ１燃料、２０２…Ｆ２燃料、２０３…Ｆ３燃料、２０４…Ｆ４燃料、２１１〜２１４…燃料流量調節弁（Ｆ１〜Ｆ４）、２３１〜２３４…燃料ヘッダー（Ｆ１〜Ｆ４）、３０１…注入空気温度検出器、３０２…圧縮機入口案内翼開度検出器、３０５…ガスジェネレータ回転数検出器、３０６…パワータービン回転数検出器、４００…制御器、４０１…燃料流量指令、４０２…燃焼制御指令、４０４…空気温度補正値、４０４…空気温度補正後の燃焼制御指令、４１０…演算器（燃料制御指令計算器）、４１１…関数発生器、４１２…乗算器、４１３…演算器（燃料流量調節弁開度指令計算器）、４１４…高値選択器、４１５…関数発生器、４１６…高値選択器
【図１】
0006343504.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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【図７】
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【図８】
0006343504.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0006343504.tif 000011
【図１１】
0006343504.tif 000012
【図１２】
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