(57)【要約】【課題】  燃焼器切替制御時の流量制御弁の急激な開閉防止【解決手段】  この制御装置は、燃焼器切替の制御の途中で、排ガス温度制御が作動したときに、すぐに燃焼器切替の制御を停止させるものである。これにより、流量調整弁が急激に開閉される状態に陥らず、ガスタービン燃焼装置の寿命を進行させることを防止でき、また、制御上不安定な状態に陥いることも防止できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１段目燃焼部と、前記１段目燃焼部を火種として着火される２段目燃焼部とを備えた燃焼器と、
前記１段目燃焼部が燃焼している状態で前記２段目燃焼部に供給する燃料の流量を調整して２段目燃焼部の着火させる動作を制御する第１制御部と、
燃焼器の燃焼ガスの温度に基づいて２段目燃焼部に供給する燃料の流量を調整する第２制御部を備えたガスタービン燃焼装置において、
前記第１制御部による２段目燃焼部の着火動作制御の途中で、前記第２制御部により２段目燃焼部に供給する燃料の流量を調整する制御が作動した場合に、前記第１制御部による２段目燃焼部の着火動作を停止させる第３制御部を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼装置。
【請求項２】
１段目燃焼部と、前記１段目燃焼部を火種として着火される２段目燃焼部とを備えたガスタービン燃焼装置に装備され、
前記１段目燃焼部が燃焼している状態で前記２段目燃焼部に供給する燃料の流量を調整して２段目燃焼部を着火させる動作を制御する第１制御部と、
燃焼器の燃焼ガスの温度に基づいて２段目燃焼部に供給する燃料の流量を調整する第２制御部とを備えたガスタービン燃焼装置の制御装置において、
前記第１制御部による２段目燃焼部の着火動作制御の途中で、前記第２制御部により２段目燃焼部に供給する燃料の流量を調整する制御が作動した場合に、前記第１制御部による２段目燃焼部の着火動作を停止させる第３制御部を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼装置の制御装置。
【請求項３】
１段目燃焼部と、前記１段目燃焼部を火種として着火される２段目燃焼部とを備えたガスタービン燃焼装置の制御方法において、
前記１段目燃焼部が燃焼している状態で前記２段目燃焼部に供給する燃料の流量を調整して２段目燃焼部を着火させる動作を制御する制御の途中で、燃焼ガスの温度に基づいて２段目燃焼部に供給する燃料の流量を調整する制御が作動した場合に、前記２段目燃焼部の着火動作を停止させることを特徴とするガスタービン燃焼装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は１段目燃焼部と、１段目燃焼部を火種として着火される２段目燃焼部を備えた２段燃焼式のガスタービン燃焼装置およびその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン１は、図２に示すように、空気圧縮機２と、燃焼器３と、タービン部４を備えている。ガスタービン１は、空気圧縮機２で圧縮した圧縮空気５と燃料６を、燃焼器３へ導き、これを混合して燃焼し、高温高圧の燃焼ガス７としてタービン部４へ噴射し、タービンを廻して（燃焼ガス７に仕事をさせて）エネルギを取り出している。図２中、８は燃料を供給する燃料母管であり、９はガスタービン燃焼装置の制御装置である。
【０００３】
また、ガスタービン１は、例えば、図２に示すように、発電機１０に接続され、発電装置として利用されている。発電用のガスタービン１の回転数は、発電機１０の交流周波数によって決まり、例えば、６０Ｈｚでは、３６００ｒｐｍで回転する。この場合、発電機１０の出力はガスタービン１の出力によって決まり、ガスタービンの出力は、燃焼器３へ供給する燃料の流量や空気圧縮機２から燃焼器３に供給する空気量を調整することで調整される。
【０００４】
ガスタービン１に用いられる一般的な燃焼器３は、最も環境対応（低ＮＯｘ）型である予混合燃焼方式を採り入れた２段燃焼式燃焼装置が採用されている。図３は、その予混合燃焼方式を採用した燃焼器３（２段燃焼式低ＮＯｘ燃焼装置）およびその周囲要部を示すものである。
【０００５】
この燃焼器３は、図３に示すように、燃焼筒２０内の中心部に配設された１段目燃焼部２１と、１段目燃焼部２１の周りに配設された２段目燃焼部２２で構成されている。１段目燃焼部２１、２段目燃焼部２２が配設された燃焼筒２０の先端には、燃焼ガスをタービン部４に送るトラジションピース２３が配設されている。
【０００６】
燃焼器３は、空気圧縮機２とタービン部４に連結された主軸の周りに複数台並設されており、各燃焼器３への燃料供給は、１段目燃焼部２１に燃料を供給する第１燃料マニホールド２６と、２段目燃焼部２２に燃料を供給する第２燃料マニホールド２７を介して行なわれている。各燃料マニホールド２６、２７には燃料母管８から燃料を供給する燃料供給配管２８、２９に、それぞれ燃料の圧力制御弁３０、３１と流量制御弁３２、３３が取り付けられている。
【０００７】
空気圧縮機２から燃焼器３内に供給された圧縮空気５は、燃焼筒２０とトラジションピース２３の外側に設けた流路３４を流通させて、流通中に燃焼ガスとの熱交換により加熱され、各燃焼部２１、２２のノズル２４、２５から供給される燃料とともに燃焼される。なお、空気圧縮機２から燃焼器３に圧縮空気５を送る供給配管４１には空気量を調整する空気量調整弁４２が設けられている。
【０００８】
燃焼器３の１段目燃焼部２１では、１段目燃焼部２１のノズル２４の前方に設けた圧縮空気供給孔から供給する圧縮空気５ａと、ノズル２４から噴出される燃料６ａを混合しつつ直接燃焼させる拡散燃焼が行なわれる。これに対し、２段目燃焼部２２では、２段目燃焼部２２のノズル２５の基端側に圧縮空気供給孔を設け、燃焼用の圧縮空気５ｂとノズル２５から噴出される燃料６ｂを予め混合して、混合した燃料を燃焼する予混合燃焼が行われている。
【０００９】
２段目燃焼部２２の着火動作は、１段目燃焼部２１が燃焼している状態で行われ、図４に示すように、まず、第２燃料マニホールド２７の圧力制御弁３１を開き、圧力制御弁３１の開度を一定に固定する工程５１と、第２燃料マニホールド２７内の燃料の圧力を一定にしてから第２燃料マニホールド２７の流量制御弁３３を徐々に開く工程５２を備えており、流量制御弁３３が完全に開く途中で２段目燃焼部２２は１段目燃焼部２１が火種となって着火して終了する５３。その後、２段目燃焼部２２に供給する燃料の流量を制御することにより、ガスタービンの出力を調整する工程５４に移行する。ガスタービン燃焼装置の２段目燃焼部２２を着火させる動作は、「燃焼器切替」と称されており、本明細書でも適宜に「燃焼器切替」との用語を用い、２段目燃焼部２２を着火させる動作の制御を「燃焼器切替の制御」という。
【００１０】
上述したガスタービン燃焼装置は、タービン部４に供給される燃焼ガス７の温度の設定に際し、タービンの耐熱温度が考慮され、タービンが損傷しない程度の温度に設定している。例えば、発明者らが使用する実機（日立Ｆ７ＦＡガスタービン（ゼネラルエレクトリック社製））では、タービン部４に供給する燃焼ガス７の温度は１４１８℃に設定している。斯かる設定において、タービン部４に供給する燃焼ガス７の温度があまりに高温であるためこれを直接測定することはできない。このため、タービン部４に供給する燃焼ガス７の温度は、空気圧縮機２の出口圧力と、タービン部４から排気される排ガス温度１１から推定することにより、間接的に測定している。なお、タービン部４に供給された高温高圧の燃焼ガス７は、タービン部４で圧力と温度がともに低下して排出され、排ガス温度は６５０度前後なので測定することができる。
【００１１】
燃焼器３は、タービン部４の主軸の周りに複数台配設されており、各燃焼器３からタービン部４に向けてそれぞれ周方向にずれた位置に燃焼ガス７が供給され、それぞれ周方向にずれてタービン部４の後方に排気される。このため、タービン部４の後方には主軸の周りにそれぞれ周方向にずれた位置に、それぞれタービン部４から排気される排ガス温度１１を測定する温度センサ（図示省略）を設けている。これにより、主軸の周りに複数台並設された燃焼器３の何れかに不具合が生じた場合には、各温度センサ間で測定される排ガス温度に著しい差が生じ、これを検知することにより、燃焼器３の不具合を検知することができるようになっている。燃焼ガスの温度を間接的に測定する場合のタービン部４の排ガス温度には、各温度センサにより測定された排ガス温度の平均値を用いる。
【００１２】
燃焼ガス７の温度は、空気圧縮機２の出口圧力と、タービン部４から排気される排ガス温度１１と、燃焼ガス７の温度との関係を理論的に求めた図５に示す曲線Ｓ１に基づいて制御する。この曲線Ｓ１は、タービン部４に供給する燃焼ガス７の温度を、タービンが損傷しない程度の温度に設定する場合の空気圧縮機２の出口圧力とタービン部４の排ガス温度の関係を示している。なお、熱効率を考慮すれば、タービン部４に供給する燃焼ガス７の温度はできる限り高い温度に設定することが望ましい。このため、ガスタービンの出力を調整する工程５４では、空気圧縮機２の出口圧力とタービン部４の排ガス温度が、この曲線Ｓ１上に位置するように燃料の流量制御弁３２、３３と空気流量調整弁４２を調整している。
【００１３】
流量制御弁３２、３３と空気流量調整弁４２の調整は、例えば、図６に示すように、空気圧縮機２の出口圧力５とタービン部４の排ガス温度１１の関係が、図５に示す曲線Ｓ１よりも上にあるか否かを判定して行う６１。この判定６１で出口圧力５と排ガス温度１１の関係が曲線Ｓ１よりも上にあるときは、まず空気量調整弁４２を開くように制御する６２。そして、再び、出口圧力５と排ガス温度１１の関係が曲線Ｓ１よりも上にある否かを判定し６３、この判定６３で出口圧力５と排ガス温度１１の関係がまだ曲線Ｓ１よりも上にあるときは、今度は流量制御弁３２、３３を絞るように制御する６４。また、最初の判定６１で、出口圧力５と排ガス温度１１の関係が曲線Ｓ１よりも下にあるときは、空気量調整弁４２を絞るように制御する６５。そして、再び出口圧力５と排ガス温度１１が曲線Ｓ１よりも上にある否かを判定し６６、この判定６５で出口圧力５と排ガス温度１１の関係がまだ曲線Ｓ１よりも上にあるときは、今度は流量制御弁３２、３３を開くように制御する６７（排ガス温度制御）。この排ガス温度制御は、燃焼器切替から２段目燃焼部２２が燃焼している状態で常に作動し６４、燃焼器切替の制御よりも優先して機能するようになっている。
【００１４】
また、図５に示す曲線Ｓ１の上方には、燃焼ガス７が高くなりすぎた場合に、安全性を考慮して１段目燃焼部２１と２段目燃焼部２２の燃焼を完全に停止させるための曲線Ｓ２が設定されている。ガスタービン燃焼装置の制御装置９は、図７に示すように、空気圧縮機２の出口圧力５とタービン部４の排ガス温度１１の関係がこの曲線Ｓ２を越えるか否かを判定し７１、越えたときには、流量制御弁３２、３３と圧力制御弁３０、３１を急激に閉じる７２ように制御する（排ガス温度高トリップ制御）。
【００１５】
また、ガスタービン燃焼装置の制御装置９は、図８に示すように、タービン部４の周囲に複数設けた温度センサ（図示省略）のうち、何れかの温度センサが他の温度センサよりも著しく低い温度、又は、著しく高い温度を測定したか否かを判定し８１、タービン部の排ガス温度を測定する温度センサの偏差が所定の偏差より大きいときは、ガスタービン燃焼装置の何らかの異常を示すものであるから、この場合も、流量制御弁３２、３３と圧力制御弁３０、３１を急激に閉じるように制御する８２（排ガス温度偏差制御）。
【００１６】
排ガス温度偏差制御と排ガス温度高トリップ制御は、それぞれ燃焼器切替の制御と排ガス温度制御よりも優先して機能する。
【００１７】
この種ガスタービン燃焼装置に関連するものとしては、下記の特許文献が挙げられる。
【特許文献１】特開平８−１３５９１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
ガスタービン燃焼器切替中は、燃焼器の完全着火と安定燃焼を図るため、上述したように燃料を送る圧力制御弁、流量制御弁、燃焼空気調整器を動作プログラムにより制御して着火動作を行っている。燃焼器切替中の供給する燃料の調整は、上述したように、まず圧力制御弁３１を開き、供給する燃料の圧力を一定の圧力に上昇固定してから、燃料の流量制御弁３２を徐々に開いていくというものである。
【００１９】
しかし、ガスタービン燃焼装置は、安全性を確保することが優先されるため、斯かる燃焼器切替の制御中においても排ガス温度制御（図６）や、排ガス温度高トリップ制御（図７）や、排ガス温度偏差制御（図８）が、燃焼器切替の制御（図４）に対して優先的に起動するようになっている。
【００２０】
このため、燃焼器切替中でも、２段目燃焼部２２の着火動作の途中で、燃焼器３に送られる燃料と空気の燃焼バランスが規定値を外れるなどした場合、強制的に２段目燃焼部２２への燃料の供給が止められることが生じる。
【００２１】
具体的な事象として、燃焼ガスを各燃焼部２１、２２からタービン部４に導くトラジションピース２３と呼ばれる配管に欠損が生じており、欠損部分から燃焼ガスが外部に漏れる不具合が生じた場合が想定される。この場合には、実際に燃焼器３からタービン部４に供給される燃焼ガス７の温度が規定の温度（実機例では１４１８℃）に達していないのに、トラジションピース２３から外に漏れた燃焼ガスにより、タービン部４で排ガス温度が高く測定されてしまう。また、空気圧縮機２の性能低下や外衣部からの空気漏れなどの不具合によって、排ガスの冷却用空気が減少し、排ガス温度７が上昇する。
【００２２】
以下、このような不具合が生じている状況で燃焼器切替の制御が行われた場合に起きる事象を図９に示す時系列図に基づいて時系列に説明する。図９中、L1はタービン部の排ガス温度の平均値を、L2は燃料供給のための制御信号量を、L3はタービン部の排ガス温度の偏差を、L4は空気圧縮機の出口圧力を、L5は２段目燃焼部の圧力制御弁の開度を、L6は２段目燃焼部の流量制御弁の開度を、L7はガスタービンの出力を、L8は空気量調整弁の開度をそれぞれ示している。なお、圧力制御弁３１、流量制御弁３３、空気量調整弁４２については、図３を参照されたい。
【００２３】
燃焼器切替の制御が行われると、図９に示すように、２段目燃焼部２２の燃料の圧力制御弁３１の開度L5が一定に固定され（Ａ）、２段目燃焼部２２の燃料の流量制御弁３３が徐々に開かれ（Ｂ）、流量制御弁３３が開かれる途中で２段目燃焼部２２が点火される（Ｃ）。２段目燃焼部２２が点火されると、トラジションピース２３から外に漏れた燃焼ガスにより、タービン部４の排ガス温度の平均値Ｌ１が上昇し、空気圧縮機２の出口圧力とタービン部４の排ガス温度の関係が図５の曲線Ｓ１を越える（Ｄ）。
【００２４】
空気圧縮機２の出口圧力とタービン部４の排ガス温度の関係が曲線Ｓ１を越えると、図６に示す排ガス温度制御が作動する。この排ガス温度制御は、燃焼器切替の制御に優先して機能する。このため排ガス温度制御により、２段目燃焼部２２の圧力制御弁３１と流量制御弁３３を急激に絞るとともに、圧縮空気の供給量を調整する空気量調整弁４２が増開される（Ｅ）。
【００２５】
排ガス温度制御（Ｅ）の作動により、圧力制御弁３１と流量制御弁３３が急激に絞られ、空気量調整弁４２が増開されると、トラジションピース２３から外に漏れた燃焼ガスの温度も下がるので、タービン部の排ガス温度が急激に下がる（Ｆ）。排ガス温度（平均値Ｌ１）がある程度下がると、排ガス温度制御が解除され、再び燃焼器切替の制御が機能し始める。このとき、（Ｃ）の時点で２段目燃焼部２２が一度着火しているので、燃焼器切替の制御により要求される圧力制御弁３１と流量制御弁３３の開度信号が大きく、圧力制御弁３１と流量制御弁３３はそれぞれ急激に開かれる（Ｇ）。圧力制御弁３１と流量制御弁３３を急激に開くと、トラジションピース２３に損傷がある燃焼器から高温の燃焼ガスが漏れるため、タービン部４の排ガス温度を測定する温度センサの一部のみが高い温度を計測する（Ｈ）。このため、図８に示す排ガス温度偏差制御が作動する。排ガス温度偏差制御は、燃焼器切替の制御に優先して機能し、燃焼器切替の動作を停止させるように制御し、２段目燃焼部の圧力制御弁３１と流量制御弁３３を閉じる（Ｉ）。
【００２６】
燃焼器切替の制御は、２段目燃焼部２２の着火に失敗した場合でも、一度、１段目燃焼部２１が燃焼している状態に戻し、数十秒間経ってから再び燃焼器切替の制御を行うようになっている（Ｊ）（リトライ）。
【００２７】
２回目の点火動作（リトライ）では、既に１回目の点火動作でタービン部４の排ガス温度が少し高くなっているため、流量制御弁３３が開き出すと、排ガス温度が急激に上昇する（Ｋ）。このとき、空気圧縮機２の出口圧力とタービン部４の排ガス温度の関係が図５の曲線Ｓ２を越えると、図７に示す排ガス温度高トリップ制御が作動する。排ガス温度高トリップ制御は、燃焼器切替の制御及び排ガス温度制御に優先して機能し、２段目燃焼部２２の流量制御弁３３と圧力制御弁３１を急激に閉じるとともに、空気量調整弁４２を増開させる（Ｌ）。
【００２８】
燃焼器切替の制御は、排ガス温度高トリップ制御により、２段目燃焼部２２の着火失敗が２回起こると、燃焼器切替の動作を停止して１段目燃焼部２１の燃焼動作も停止させ、ガスタービンはメンテナンスのため待機状態になる。
【００２９】
上述したように、２段目燃焼部２２を点火させる燃焼器切替の制御において、何らかのトラブルでタービン部４の排ガス温度が高くなった場合でも、排ガス温度制御（Ｅ）、排ガス温度偏差制御（Ｉ）、排ガス温度高トリップ制御（Ｌ）が機能して安全性が確保されている。
【００３０】
しかし、上述した現状の制御では、２段目燃焼部２２を点火させる燃焼器切替の制御の途中に、排ガス温度制御（Ｅ）、排ガス温度偏差制御（Ｉ）、排ガス温度高トリップ制御（Ｌ）が順次に機能し、圧力制御弁３１や流量制御弁３３を急激に開閉させる。このため、高温域でガスタービン燃焼装置に急激な温度変化が生じ、ガスタービン燃焼装置の寿命を進行させることになる。また、排ガス温度制御から、燃焼器切替の制御に移行する過程で、通常の燃焼器切替の制御に比べて、流量制御弁３３が特に急激に開かれるため、制御上不安定な状態に陥り易いという問題もある。
【００３１】
現状では、燃焼器切替中は、完全なプログラム制御をとなっているから制御員の介在が不可能となっており、結果として、上述したように排ガス温度高トリップするか、制御員の判断で燃焼器切替の制御自体をハンドトリップ（手動停止）させることになる。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
本発明は、１段目燃焼部が燃焼している状態で２段目燃焼部に供給する燃料の流量を調整して２段目燃焼部を着火させる動作を制御する制御（上記例では、「燃焼器切替の制御」）の途中で、燃焼器の燃焼ガスの温度に基づいて２段目燃焼部に供給する燃料の流量を調整する制御（上記例では、「排ガス温度制御」）が作動した場合に、２段目燃焼部の着火動作を停止させるようにした。
【発明の効果】
【００３３】
本発明は、２段目燃焼部を着火させる動作を制御する制御の途中で、燃焼器の燃焼ガスの温度に基づいて２段目燃焼部に供給する燃料の流量を調整する制御が作動した場合に、２段目燃焼部の着火動作を停止させるようにしたので、燃焼器切替の制御の途中で何らかのトラブルが生じ、タービン部の排ガス温度が高くなり排ガス温度制御が機能したときには、燃焼器切替の制御が停止される。これにより、流量制御弁が急激に開閉されることがなく、高温域でガスタービン燃焼装置に急激な温度変化が生じるのを防止することができる。これによりガスタービン燃焼装置の寿命を進行させることを防止でき、またガスタービン燃焼装置が制御上不安定な状態に陥いることも防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の一実施形態に係るガスタービン燃焼装置およびその制御方法を図面に基づいて説明する。なお、上述したガスタービン燃焼装置と同じ作用を奏する部材、部位には同一の符号を付して説明する。
【００３５】
この制御装置は、従来の燃焼器切替の制御の途中で、排ガス温度制御が作動したときに（図９中のＥのときに）、燃焼器切替の制御を停止させるものである。
【００３６】
具体的には、図１のフロー図に示すように、圧力制御弁３１の開度を固定し、流量制御弁３３を開動させていく燃焼器切替の制御（第１制御）の途中に、空気圧縮機２の出口圧力とタービン部４の排ガス温度の関係が図５の曲線Ｓ１よりも上になって排ガス温度制御（第２制御）が作動したかを判定する判定部１０１と、この判定部において、排ガス温度制御が作動したと判定された場合に、２段目燃焼部の着火動作を制御する燃焼器切替の制御を停止させる処理部１０２とを備えている。この新たな制御（第３制御）は、燃焼器切替の制御及び排ガス温度制御に優先して機能する。
【００３７】
燃焼器切替の制御に、この制御を加えることで、燃焼器に不具合が生じ、排ガス温度制御が作動したとき、すなわち、図９のＥの時点ですぐに燃焼器切替の制御を停止される。これにより、排ガス温度偏差制御や排ガス温度高トリップ制御などが作動することがなく、流量制御弁が急激に開閉される動作を防止することができる。これにより、流量調整弁が急激に開閉される状態に陥らず、ガスタービン燃焼装置の寿命を進行させることを防止でき、また、制御上不安定な状態に陥ることも防止できる。
【００３８】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態に係る新たな制御を組み込んだ燃焼器切替の制御を示すフロー図。
【図２】ガスタービンの全体構成を示す概略図。
【図３】燃焼器を示す縦断側面図。
【図４】燃焼器切替の制御のフロー図。
【図５】排ガス温度制御のしきい値を示す図。
【図６】排ガス温度制御のフロー図。
【図７】排ガス温度高トリップ制御のフロー図。
【図８】排ガス温度偏差制御のフロー図。
【図９】トラジションピースに不具合が生じている状況で燃焼器切替の制御が行われた場合に起きる事象を示す時系列図。
【符号の説明】
【００４０】
１     ガスタービン
２     空気圧縮機
３     燃焼器
４     タービン部
５     圧縮空気
６     燃料
７     燃焼ガス
８     燃料母管
９     制御装置
１０   発電機
１１   排ガス
２０   燃焼筒
２１   １段目燃焼部
２２   ２段目燃焼部
２３   トラジションピース
２４、２５    ノズル
２６、２７    燃料マニホールド
２８、２９    燃料供給配管
３０、３１    圧力制御弁
３２、３３    流量制御弁
４１   供給配管
４２   空気量調整弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005248707.tif 000006
【図５】
2005248707.tif 000007
【図６】
2005248707.tif 000008
【図７】
2005248707.tif 000009
【図８】
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【図９】
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