(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
予混合燃焼方式であって、予混合部に流入する空気量を調整する空気流量調整機を備えた複数個の燃焼器を有するガスタービンの制御における空気流量調整機の調整方法であって、
試運転時又は定期点検後の確認運転時に燃料指令信号を変動しないように一時的にロックしておき、前記予混合部に流入する空気量を手動で変更しながら前記試運転時又は前記確認運転時の運転状態での燃焼安定と燃焼不安定との限界を見極め、この結果に基づいて、前記空気流量調整機の基準開度を設定するようにしたことを特徴とするガスタービン制御における空気流量調整機の調整方法。
【請求項２】
前記空気流量調整機における空気流量調整の開度指令信号に、開度変更のバイアス信号を加算できる加算器を設け、前記開度変更のバイアス信号を前記手動により操作できるようにした請求項１記載のガスタービン制御における空気流量調整機の調整方法。
【請求項３】
前記ガスタービンの燃焼に係わる影響因子を常時監視し、前記手動による前記予混合部に流入する空気量の操作が過度で、前記ガスタービンの運転に支障を来す異常が発生した場合、前記ガスタービンの燃焼が安定化する方向に前記空気流量調整機を直ちに自動的に作動させることができる請求項１記載のガスタービン制御における空気流量調整機の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ガスタービンの燃焼制御方法に係り、特に予混合燃焼方式の燃焼器を有するガスタービンの燃焼制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、予混合燃焼方式の燃焼器を有するガスタービンの一般的な構造を、図９及び図１０を用いて説明する。図９は予混合燃焼方式の燃焼器を有するガスタービンの側面図、図１０はガスタービン要部の説明図である。
【０００３】
図９に示すように、圧縮機４８に隣接して、ガスタービンの周方向に複数個の燃焼器３５が配置される。燃焼器３５で発生した燃焼ガスは、タービン部４７内に設けられたタービンを回転させた後、排気部２を通り、排気ガス９となって排出される。排気ガス９の温度は、ガスタービンの周方向に複数個配置された温度センサ１１−１、１１−７などにより測定される。
【０００４】
また、燃焼器３５は、図１０に示すように、１段目燃焼室３６、２段目燃焼室３、１段目燃焼室３６と２段目燃焼室３との間に位置し２段目燃焼室３の上流側に設けられたスワラ４、及びスワラ４に隣接して設けられた燃料ノズル３７と空気流量調整機５とを備えている。ここに、スワラ４は、燃料と空気とを予混合させるものである。
【０００５】
次に、ガスタービンの運転について説明する。燃料６が燃料ノズル３７からスワラ４に供給され、また、燃焼用の、圧縮された空気７が圧縮機４８からスワラ４に供給され、燃料６と空気７とがスワラ４で予混合され、予混合された燃料６と空気７とは２段目燃焼室３で燃焼される。
【０００６】
２段目燃焼室３で発生した燃焼ガス８は、タービン１に流入し、タービン１及び圧縮機４８を駆動させた後、排気ガス９となって排出される。なお、タービン１と圧縮機４８とは、各軸心が同一直線上にあるように連結されている。
【０００７】
ガスタービンの運転では、高出力が効率良く得られ、かつＮＯｘ値が低くなるように、スワラ４中における燃料６の流量と空気７の流量との比、すなわち燃空比（＝燃料量／空気量）を調整する必要がある。
【０００８】
図１１は、燃空比とＮＯｘ濃度又はＣＯ濃度との関係線図である。ある予混合状態で、ＮＯｘ濃度及びＣＯ濃度が共に低い、いわゆる低ＮＯｘ燃空比範囲４９が存在する。したがって、燃空比を低ＮＯｘ燃空比範囲４９内にあるように調整できれば、低ＮＯｘでのガスタービンの運転が可能となる。
【０００９】
以下、このような運転の達成基準となる制御装置を、図１２を用いて説明する。図１２は従来のガスタービン燃焼制御系統のブロック図である。
【００１０】
制御器１０は、スワラ４に供給する燃料６と空気７との燃空比を低ＮＯｘ燃空比範囲４９（図１１参照）内に設定可能にするために設置してあり、各負荷状態における各温度センサ１１−１〜１１−１３から検出される温度の信号、すなわち温度出力信号１２を受けて、これらの温度の平均温度を算出し、燃料６の流量の増減を指令する燃料指令信号１３を、燃料流量調整機１４及び空気流量調整用の関数発生器１５にそれぞれ出力する機能を有している。
【００１１】
燃料流量調整機１４は、燃料指令信号１３に基づいて燃料ノズル３７（図１０参照）からスワラ４への燃料６の供給流量を増減し、調整するものである。すなわち、燃料６の流量に対する空気７の流量は、低ＮＯｘ燃空比範囲４９の関係から定まるので、これに基づく関数発生器１５からの開度指令信号１６により、空気流量調整機５の開度を調整し、圧縮機４８（図１０参照）からスワラ４への空気７の供給流量を増減し、調整している。
【００１２】
図１３は図９の右側面図である。熱電対等の温度センサを、燃焼器３５（図１０参照）の数と同等又はそれ以上、例えば図１３に示すように、１３個の温度センサ１１−１〜１１−１３を、排気部２に円周方向に等間隔に配置する。すなわち、１３個の温度センサ１１−１〜１１−１３は、排気部２から排出される排気ガス９（図１０参照）の温度をそれぞれ計測し、温度出力信号１２(図１２参照)を制御器１０（図１２参照）に出力するものである。
【００１３】
図１４は、温度センサと排気ガス温度との関係線図である。例えば、排気ガス温度が、線図５０に示すような正常時の場合、又は線図５１に示すような部分的に低下がある場合などにおいて、１３個の温度センサ１１−１〜１１−１３は、それぞれ排気ガス温度に相応する温度出力信号１２を制御器１０にそれぞれ出力する。
【００１４】
次に、上述のガスタービンの燃焼制御装置の作動を、図１２を用いて説明する。制御器１０から負荷に対応する燃料指令信号１３が燃料流量調整機１４及び関数発生器１５に出力される。燃料６は、燃料流量調整機１４で燃料指令信号１３に基づいて流量が調整され、その後に燃料ノズル３７（図１０参照）からスワラ４に供給される。一方、燃料指令信号１３を受けた関数発生器１５から、開度指令信号１６が空気流量調整機５に出力される。
【００１５】
開度指令信号１６に基づいて、空気流量調整機５の開度が調整されることにより、空気７は流量が調整され、空気流量調整機５からスワラ４に供給される。スワラ４に供給された燃料６及び空気７は、低ＮＯｘ燃空比範囲４９(図１１参照)内で、かつ制御器１０により設定された一定の燃空比で予混合され、２段目燃焼室３で低ＮＯｘの燃焼状態で燃焼され、燃焼ガス８が発生する。燃焼ガス８は、タービン１に流入してタービン１及び圧縮機４８(図１０参照)を駆動させた後、排気部２から排気ガス９として排出される。
【００１６】
また、１３個の温度センサ１１−１〜１１−１３が排気部２の排気ガス９の温度をそれぞれ計測し、計測されたそれぞれの排気ガス９の温度出力信号１２が制御器１０に出力される。制御器１０で１３個の温度センサ１１−１〜１１−１３からの温度出力信号１２の中央値が算出され、その中央値に基づいて燃料指令信号１３が出力され、燃料６及び空気７の流量が低ＮＯｘ燃空比範囲４９(図１１参照)内にあるように調整される。
【００１７】
ここで、空気流量調整機５は、複数個の燃焼器３５（図１０参照）の全数にわたってそれぞれに設置されており、かつ空気流量調整機５の開度調整は、全数を一括、又は個々に行うことができるように構成されている。このように空気流量調整機５は、ガスタービンの出力に対しＮＯｘを所定量に抑え、かつ複数個の燃焼器３５の燃焼状態を良好に保つために設けられており、個々の燃焼器３５の特性に適応するように設定されている。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ガスタービンの複数個の燃焼器は、それぞれ製作過程に個体差があり、また、燃焼器の経年的な部品の劣化や摩耗が異なるため、燃焼安定度にばらつきがある。更に、複数個の燃焼器を周方向に配置していることにより、燃焼用空気に偏流が発生し、燃焼安定度にばらつきがある。しかも、燃焼安定度は、燃焼用空気の温度や湿度、及び燃料の発熱量や成分の変化により、微妙に変化する。
【００１９】
したがって、低ＮＯｘ値で安定した燃焼状態での運転ができるように、試運転時、又は定期点検後の確認運転時において、個々の燃焼器の固体差を考慮した空気流量調整機の調整が重要となる。しかし、従来の技術では、空気流量調整機の調整は、空気流量調整機の関数発生器の設定値を、その都度、個々に変更しており、そのため多くの手間と時間とを必要としていた。
【００２０】
本発明の目的は、従来技術の欠点を排除し、空気流量調整機の調整が短時間に、かつ効率良く行うことが可能なガスタービンの燃焼制御方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
（１）予混合燃焼方式であって、予混合部に流入する空気量を調整する空気流量調整機を備えた燃焼器を有するガスタービンの燃焼制御方法において、予混合部に流入する空気量を、手動で任意に変更できるようにする。
【００２２】
（２）（１）において、空気流量調整機における空気流量調整の開度指令信号に、開度変更のバイアス信号を加算できる加算器を設け、加算器を手動により操作できるようにする。
【００２３】
（３）（１）において、ガスタービンの燃焼に係わる影響因子を常時監視し、手動による予混合部に流入する空気量の操作が過度で、ガスタービンの運転に支障を来す異常が発生した場合、ガスタービンの燃焼が安定化する方向に空気流量調整機を直ちに自動的に作動できるようにする。
【００２４】
【作用】
本発明では、制御器からの信号を受けて関数発生器から出力された空気流量調整機への開度指令信号に、手動操作でバイアス信号を加算できる加算器を設けてあり、その時々のＮＯｘ、又は燃焼器の各特性に係わる影響因子を計測しながら、手動操作で開度指令信号を加減し、空気流量調整機の開度を変更させることができるので、空気流量調整機を簡単に調整することができる。
【００２５】
また、２個の加算器を設けてあり、手動操作による開度指令信号の加減を、複数個の燃焼器に対して全数一括又は個々に、それぞれ行うことができるので、空気流量調整機を精度良く調整することができる。
【００２６】
更に、手動操作による開度指令信号の過度の変更で燃焼が不安定状態となった場合でも、温度センサ等燃焼に係わる影響因子を常時計測していることにより、この不安定状態を即座に捕え、安定燃焼側へ移行するように自動的に空気流量調整機の開度調整を可能にしてあるので、空気流量調整機を常に安全確実に調整することができる。
【００２７】
すなわち、本発明では、燃焼器の個体差等による燃焼器の燃焼安定度のばらつきに対応した空気流量調整機の調整を、短時間に効率良く、かつ燃焼の不安定が発生しないように安全確実に実施することができる。
【００２８】
【実施例】
本発明の一実施例を図１〜図８を用いて説明する。図１は本実施例のガスタービン燃焼制御系統のブロック図、図２は本実施例の燃焼器の縦断面図、図３は図２の部分拡大図、図４は本実施例における個々の燃焼器の影響因子入力のロジック図、図５は図４の入力影響因子の状態図、図６は本実施例における全数の燃焼器の影響因子入力のロジック図、図７は図６の入力影響因子の状態図、図８は本実施例における他の影響因子入力のロジック図である。なお、これらの図の符号で、図９〜図１４と同一部分には同一符号を付している。
【００２９】
図１において、影響因子１７は個々の燃焼器３５（図１０参照）の不安定燃焼に影響を与える因子であり、影響因子１７としては、排気部２における排気ガス９の温度、２段目燃焼室３における燃焼ガス８の温度、２段目燃焼室３とスワラ４とにおける燃焼器メタル温度、燃焼ガス８中と排気ガス９との中のＮＯｘ濃度又はＣＯ濃度、及び２段目燃焼室３の燃焼振動がある。
【００３０】
すなわち、燃焼器３５で不安定燃焼が生じた場合は、燃空比の微調整が必要なスワラ４部で特に不安定となり、排気部２における排気ガス９の温度、２段目燃焼室３における燃焼ガス８の温度、２段目燃焼室３又はスワラ４における燃焼器メタル温度、及び２段目燃焼室３における燃焼振動が変動する傾向にあり、また、燃焼ガス８中又は排気ガス９中のＮＯｘ濃度が急激に低下したり、又はＣＯ濃度が急激に上昇したりする傾向にある。したがって、影響因子１７を個々の燃焼器３５で計測することにより、個々の燃焼器３５の不安定燃焼を確実に把握することができる。
【００３１】
計測器１８は、影響因子１７を計測し、この計測値に応じて計測器信号１９を出力するものである。影響因子１７が排気ガス９の温度の場合は、計測器１８は排気部２に配置した温度センサ１１−１〜１１−１３（図１３参照）である。
【００３２】
影響因子１７が燃焼ガス８の温度の場合は、計測器１８は、図２に示すような個々の燃焼器３５の２段目燃焼室３に設けた温度センサ３８である。また、影響因子１７が燃焼器メタル温度の場合は、計測器１８は、図２に示すような個々の燃焼器３５の２段目燃焼室３又はスワラ４の燃焼器メタルに設けた温度センサ３９である。なお、温度センサ３８、３９には熱電対を用いている。
【００３３】
更に、影響因子１７が燃焼ガス８中又は排気ガス９中のＮＯｘ濃度又はＣＯ濃度の場合は、計測器１８は、図２に示すような個々の燃焼器３５の２段目燃焼室３に燃焼器３５の数と同数又はそれ以上設けたガス分析器４０である。なお、ガス分析器４０は、排出部２（図９参照）にも、同様にして設置してある（図示せず）。そして、影響因子１７が２段目燃焼室３の燃焼振動の場合は、計測器１８は、図３に示すような個々の燃焼器３５の２段目燃焼室３に設けた歪ゲージ４１である。
【００３４】
このようにして、個々の燃焼器３５への影響因子１７である、燃焼ガス８の温度、燃焼器メタル温度、燃焼ガス８成分及び燃焼振動は、個々の燃焼器３５に設けた計測器１８を用いることにより、計測することができる。一方、排気ガス９の温度、及び排気ガス９の成分は、燃焼器３５の数と同数又はそれ以上設けた計測器１８により、個々の燃焼器３５における値を計測することができる。
【００３５】
図１において、モニターリレー２０は計測器１８からの出力信号１９による計測値と、許容値２１とを比較して計測値が許容値２１より超過した場合に、その計測値に応じたバイアス量基準値信号２２を出力するものである。
【００３６】
モニターリレー２０は、影響因子１７が排気ガス９の温度、燃焼ガス８の温度、燃焼器メタル温度又は燃焼振動の場合は、図４に示すようなモニターリレー４２である。すなわち、温度センサ１１−１〜１１−１３、３８、３９、又は歪ゲージ４１からの計測器信号１９（図１参照）の最大値と最小値との差をとり、その差すなわち変動幅４３が、図５に示すように、許容値２１を超過した場合には、モニターリレー４２からバイアス量基準値信号２２を出力する。
【００３７】
また、上述の場合、燃焼器３５への影響因子１７は、個々の燃焼器３５を対象にしているのに対し、図６はそれを燃焼器３５の全数にまで拡大した場合を示している。この場合、モニターリレー２０は、モニターリレー４４である。
【００３８】
すなわち、温度センサ１１−１〜１１−１３、３８、３９、又は歪ゲージ４１から入力する複数の計測器信号１９の変動幅を、全数の燃焼器３５で計測し、これらのうち１つでも許容値２１を超過した場合に、モニターリレー４４からバイアス量基準値信号２２を出力する。例えば、図７に示すように、温度センサ１１−１からの計測器信号１９の変動幅４５が許容値２１を超過した場合には、モニターリレー４４からバイアス量基準値信号２２を出力する。
【００３９】
更に、影響因子１７がＮＯｘ濃度又はＣＯ濃度の場合は、モニターリレー２０は図８に示すようなモニターリレー４６である。すなわち、ガス分析器４０で計測したＮＯｘ濃度が急激に減少したり、又はＣＯ濃度が急激に増加したりして、ＮＯｘ濃度又はＣＯ濃度の値が許容値２１を超過した場合には、モニターリレー４６からバイアス量基準値信号２２を出力する。
【００４０】
図１において、関数発生器２３はバイアス係数算出用のもので、基準制御における制御器１０からの燃料指令信号１３に基づいてバイアス係数が算出され、バイアス係数信号２４を出力するものである。バイアス係数は、燃料指令信号１３に基づいて算出され、燃料６の流量に応じて空気流量調整機５の開度、すなわち調整する空気７の流量が設定される。
【００４１】
乗算器２５は、モニターリレー２０からのバイアス量基準値信号２２と、関数発生器２３からのバイアス係数信号２４とを入力して、バイアス量基準値とバイアス係数とを乗算し、その値をバイアス量信号２６として出力するものである。
【００４２】
加算器２７、２９及び３０は、空気流量調整機用の関数発生器１５と空気流量調整機５との間に設置してある。ここで、加算器２９は関数発生器１５からの開度指令信号１６に基づく空気流量調整機５の開度量に、手動操作による燃焼器全数の空気流量調整機５に一括して同じバイアス量を加えることができ、加算器３０は複数個の燃焼器の個々の空気流量調整機５に任意にバイアス量を加えることができる機能を、それぞれ備えている。
【００４３】
また、加算器２７は乗算器２５からのバイアス量信号２６に基づく空気流量調整機５の開度のバイアス量を加えることができる機能を有し、これらのバイアス量の和が、空気流量調整機５の開度量信号２８として空気流量調整機５の開度を開き方向、又は閉め方向に調整する。
【００４４】
ガスタービンの試運転時又は定期点検後の確認運転時では、燃焼器３５（図１０参照）の個体差、又は複数個の燃焼器３５への空気の偏流などの影響により、予混合燃焼方式を採用している燃焼部では、燃空比の調整が難しく、運転しながら調整を行う必要がある。
【００４５】
調整には、まず負荷運転時において、燃料指令信号１３を一時的にロックして、変動しないようにしておき、次いで、手動操作により、加算器２７、２９及び３０に空気流量調整機５の開度を、増方向又は減方向にバイアスを少しずつ小刻みに加え、これらの燃焼性への影響を把握する。すなわち、燃焼への影響因子の状態量変化を計測し、空気流量調整機５の開度を増方向に操作した時、許容値を超えるような状況に至った場合は燃焼不安定と見なし、加算器２７により空気流量調整機５の開度が閉め方向になるようにバイアスを加えて、燃空比を高める方向に調整し、燃焼を安定側へ移行させる。
【００４６】
一方、空気流量調整機５の開度を減方向に操作した時、ＮＯｘ濃度が高くなったり、燃焼器メタル温度が高くなったりする燃焼異常が発生した場合は、加算器２７に空気流量調整機５の開度が開き方向になるようにバイアスを加えて、燃空比を低める方向に調整し、燃焼安定側へ移行させる。
【００４７】
空気流量調整機５の手動操作による開度変更は、全ての燃焼器の空気流量調整機５に一括同時にバイアスを加える場合は、加算器２９に外部からのバイアス信号３１を入力するようにして行う。また、個々の燃焼器３５の空気流量調整機５の手動操作による開度変更は、加算器３０に外部からその対象となる燃焼器についてのみバイアス信号３２を任意に入力するようにして行う。
【００４８】
加算器２９、３０の設置により、通常の制御を超えた、自由自在のバイアスを加えることができ、これらの操作により個々の燃焼器に対し、運転状態での燃焼安定と燃焼不安定との限界を見極めることができるので、調整後は空気流量調整機５は最適な基準開度に設定される。
【００４９】
また、バイアス信号３１、３２は、具体的には手動操作により、手動バイアススイッチ３３、３４を入れることにより、ステップ状に、又は時間に対してある一定の割合で、連続的に信号を加算器２９、３０へ出力し、空気流量調整機５を通常の制御設定とは無関係に操作することができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、予混合燃焼方式を採用しているガスタービン燃焼器の予混合燃焼部において、ガスタービン運転中における燃焼用空気の調整を手動で複数個の燃焼器に対し、全数一括して又は個々に制御指令信号に加算器を介してバイアスを加えることができるので、ガスタービンの燃焼制御を短時間に効率良く行うことができる。
【００５１】
また、燃焼用空気の過度の調整に対しては、燃焼に係わる影響因子を計測し、影響因子の値が許容値を超えた場合を異常燃焼として捕え、正常燃焼へ自動的に移行させることができるので、燃焼用空気を安全確実に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のガスタービン燃焼制御系統のブロック図である。
【図２】本発明の一実施例の燃焼器の縦断面図である。
【図３】図２の部分拡大図である。
【図４】本発明の一実施例における個々の燃焼器の影響因子入力のロジック図である。
【図５】図４の入力影響因子の状態図である。
【図６】本発明の一実施例における全数の燃焼器の影響因子入力のロジック図である。
【図７】図６の入力影響因子の状態図である。
【図８】本発明の一実施例における他の影響因子入力のロジック図である。
【図９】予混合燃焼方式の燃焼器を有するガスタービンの側面図である。
【図１０】ガスタービン要部の説明図である。
【図１１】燃空比とＮＯｘ濃度又はＣＯ濃度との関係線図である。
【図１２】従来のガスタービン燃焼制御系統のブロック図である。
【図１３】図９の右側面図である。
【図１４】温度センサと排気ガス温度との関係線図である。
【符号の説明】
１…タービン、２…排気部、３…２段目燃焼室、４…スワラ、５…空気流量調整機、６…燃料、７…空気、８…燃焼ガス、９…排気ガス、１０…制御器、１１−１〜１１−１３、３８、３９…温度センサ、１２…温度出力信号、１３…燃料指令信号、１４…燃料流量調整機、１５…関数発生器、１６…開度指令信号、１７…影響因子、１８…計測器、１９…計測値信号、２０、４２、４４、４６…モニターリレー、２１…許容値、２２…バイアス量基準値信号、２３…関数発生器、２４…バイアス係数信号、２５…乗算器、２６…バイアス量信号、２７、２９、３０…加算器、２８…開度量信号、３１、３２…バイアス信号、３３、３４…手動バイアススイッチ、３５…燃焼器、３６…１段目燃焼室、３７…燃料ノズル、４０…ガス分析器、４１…歪ゲージ、４３、４５…変動幅、４７…タービン部、４８…圧縮機、４９…低ＮＯｘ燃空比範囲、５０、５１…線図。
【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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