(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散燃焼方式の第１段燃焼部と予混合方式の第２段燃焼部との２段式燃焼器を有するガスタービンの制御方法において、前記第１段燃焼部と前記第２段燃焼部との燃焼状態を監視し、前記燃焼状態に係わる燃焼ガス温度、排気ガス温度及び燃焼器メタル温度のうちの少なくとも１つを状態値とした状態量を制御因子として取り込み、前記状態量が許容値を超えた場合に、前記第２段燃焼部の燃焼を着火失敗や失火による不安定燃焼とみなし、前記第２段燃焼部の燃焼を停止して前記第１段燃焼部のみの単独燃焼に速やかに移行させることを特徴とする２段式燃焼器を有するガスタービンの制御方法。
【請求項２】
前記状態量が、前記状態値における最大値と最小値との差、又は前記状態値における最大値と最小値側から２番目の値との差である請求項１記載の２段式燃焼器を有するガスタービンの制御方法。
【請求項３】
前記状態量が、前記状態値の変動幅である請求項１記載の２段式燃焼器を有するガスタービンの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、２段式燃焼器を有するガスタービンの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
２段式燃焼器を有するガスタービンの制御方法に関する従来例を、図に基づいて説明する。図４は、従来の２段式燃焼器を有するガスタービンの説明図である。
【０００３】
ガスタービンの燃焼器における一つの特徴は、起動から定格負荷までにおける燃空比、すなわち燃料量と空気量との比率の変化範囲が非常に広いことである。
２段式燃焼器を有するガスタービンは、このような非常に広い燃空比の変化範囲内において、低ＮＯx化の達成が可能な方式であり、第１段燃焼部３４と第２段燃焼部１８とを有している。
【０００４】
そして、第１段燃焼部３４は、起動時から定格負荷まで使用されるため、作動域が広い拡散燃焼方式が採用されており、第２段燃焼部１８は、第１段燃焼部３４の単独燃焼から、第１段燃焼部３４との同時燃焼へ切り換えられた、それ以降に使用されている。
【０００５】
第２段燃焼部１８は、高負荷領域における低ＮＯx化を図るため、燃焼用空気３５と燃焼ノズル３６からの燃料３７とがスワラ１９の内部で、予め混合して燃焼させる予混合方式を採用している。
【０００６】
また、圧縮機３０から流出した出口空気３１は燃焼器１７へと導かれ、燃焼ガス３２となってタービン部３３へ流入する構造になっており、燃焼用空気３５の流量制御は、空気流量調整機３８により燃料量に応じて行われている。
【０００７】
拡散燃焼では、燃料３７が噴射された場合、安定燃焼に必要な量の空気を使用することができ、残りの空気も希釈に利用できるので、ＮＯx濃度は燃空比に対して鈍感であり、かつ燃焼範囲は広い。しかし、そのように空気が周囲に多く存在していても、拡散燃焼のみでは、低ＮＯx化に限界があり、第２段燃焼部１８が必要になる。
【０００８】
図５は、第２段燃焼部１８の予混合部における燃空比とＮＯx濃度又はＣＯ濃度との関係線図である。図５に示すように、ＮＯx濃度３９及びＣＯ濃度４０が共に低い燃空比の範囲４１が存在する。すなわち、この範囲４１内にあるように燃空比を調整した場合は、低ＮＯx濃度で、かつ安定した燃焼が得られる。
【０００９】
すなわち、第２段燃焼部１８に、図４のスワラ１９で示される予混合燃焼方式を採用した場合は、燃料と空気との混合の度合が良好となり、燃空比を下げることにより、火炎温度を低下させ、ＮＯx濃度の低減化を図ることが可能である。
【００１０】
しかし、燃焼は、燃焼器の個体差、燃焼用空気の温度や湿度の変化、又は燃料の発熱量や成分の変化などにより、微妙に変化するものである。特に、ガスタービンに複数個の燃焼器を設けてある場合は、それぞれの燃焼器の燃焼状況が異なることから、安定な燃焼が得られないことがある。
【００１１】
ＮＯx濃度の変化は燃空比に対して敏感であり、かつ安定燃焼範囲が狭いため、燃空比の細かい制御が必要である。また、予混合燃焼時の燃焼用空気３５の流量制御は、上述のように、空気流量調整機３８により燃料量に応じて行われている。
【００１２】
次に、従来のガスタービンにおける燃焼器の取付け状況を図に基づいて説明する。
【００１３】
図６は従来のガスタービンにおける燃焼器の取付け状況の説明図であり、図６の（ａ）はガスタービン本体の模式側面図、図６の（ｂ）は図６の（ａ）のＡ−Ａ矢視図、図６の（ｃ）は図６の（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。
【００１４】
図６の（ａ）に示すように、左端部に燃焼器１７が取付けられてあり、右端が排気部４２になっている。また、図６の（ｂ）からわかるように、燃焼器１７は、ガスタービン本体の周辺部に同じ方向に向けてほぼ等間隔に複数個設けられている。なお、燃焼器１７には、その全数に空気流量調整機（図示せず）が付設されている。
【００１５】
空気流量調整機は、燃焼器全数を同時又は個別に制御するが、燃焼器の個体差などの影響から燃焼状態が非常に不安定となりやすい。
【００１６】
上記の理由により、第２段燃焼部の燃料である２次燃料を、第２段燃焼部に投入しても、第１段燃焼部から第２段燃焼部への火移りができずに、２次燃料が点火しなかったり、又は燃焼器の第２段燃焼部が失火してしまう場合があった。このような場合は、２次燃料は燃焼せずに、そのまま排出されるので、大幅な効率低下となった。
【００１７】
このような大幅な効率低下については、図６の（Ｃ）に示すような、排気部４２の周方向に配置されてある、複数の排気ガス温度測定用熱電対４３による温度分布の測定結果から、捕らえることができる。
【００１８】
図７は排気ガスの温度分布の測定線図である。各燃焼器が正常に稼働しているときの正常時の温度分布４４に対して、燃焼器のうちのいくつかが不安定な燃焼状態にある異常時の温度分布４５には、排気ガス温度に部分的な低下が現われるので、燃焼器の不具合な状況を捕らえることができる。
【００１９】
また、特開平２−８６９２７号公報には、監視装置である熱電対に不具合が生じた場合でも、ガスタービンを継続運転するガスタービンの制御方法が、開示されている。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
予混合方式の２段式燃焼器を有するガスタービンの第２段燃焼部では、燃空比の制御を非常に狭い燃空比の範囲内で行う必要があるため、その制御は不安定になりがちであり、不完全燃焼が発生しやすい。この不完全燃焼の例を図に基づいて説明する。
【００２１】
図８は、各燃焼器の排気ガス温度の時間変化を示す線図である。すなわち、図８には、複数（ｎ）個の燃焼器にそれぞれ対応させて設けてある複数（ｎ）本の熱電対により、排気ガス温度を測定し、１個の燃焼器に不安定燃焼が生じていることを捕らえた場合を示してある。すなわち、排気ガスの温度変動４６は、燃焼器に不安定燃焼に伴って発生したものである。
【００２２】
このように、着火失敗や失火などによる異常燃焼の発生がみられるが、このような状態において、ガスタービンを継続運転させる方法については、従来では開示されていない。
【００２３】
本発明の目的は、ガスタービンの第２段燃焼部に異常燃焼が生じるような不具合が発生した場合でも、ガスタービンを継続運転させることが可能なガスタービンの制御方法を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、次のようにして達成することができる。
【００２５】
（１）拡散燃焼方式の第１段燃焼部と予混合方式の第２段燃焼部との２段式燃焼器を有するガスタービンの制御方法において、第１段燃焼部と第２段燃焼部との燃焼状態を監視し、前記燃焼状態に係わる状態量を制御因子として取り込み、前記状態量が許容量を超えた場合に、第２段燃焼部の燃焼を異常燃焼とみなし、第１段燃焼部のみの単独燃焼に速やかに移行させること。
【００２６】
（２）（１）において、状態量の構成要因である状態値が、燃焼ガス温度、排気ガス温度及び燃焼器メタル温度のうちの少なくとも１つであること。
【００２７】
（３）（１）又は（２）において、状態量が、状態値における最大値と最小値との差、又は状態値における最大値と最小値側から２番目の値との差であること。
【００２８】
（４）（１）又は（２）において、状態量が、状態値の変動幅であること。
【００２９】
【作用】
本発明では、複数本の熱電対により燃焼ガス温度、排気ガス温度及び燃焼器メタル温度のうちの少なくとも１つ、又はこれらの温度を組み合わせて測定することにより、第２段燃焼部における不安定燃焼の状態量を捕らえ、第１段燃焼部の単独燃焼に速やかに移行できるようにしてあるので、燃焼状態を急変させることなく、ガスタービンの運転を継続させることが可能である。
【００３０】
また、第２段燃焼部における不安定燃焼の状態量を、測定温度の最大値と最小値との差が許容値を超えた場合としてあるので、不安定燃焼の状態量を的確に捕らえることができる。
【００３１】
また、第２段燃焼部における不安定燃焼の状態量を、測定温度の最大値と最小値側から２番目の値との差が許容値より超えた場合としてあるので、温度の最小値の測定が万一不可能な場合があっても、不安定燃焼の状態量を捕らえることができ、不安定燃焼の状態量の捕捉についての信頼性が向上される。
【００３２】
更に、第２段燃焼部における不安定燃焼の状態量を、測定温度の変動幅が許容変動幅を超えた場合としてあるので、これによっても、不安定燃焼の状態量を的確に捕らえることができる。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図に基づいて説明する。
【００３４】
図１は本発明の一実施例の説明図であり、図１の（ａ）は第１段燃焼部の単独燃焼に至る経過を示すブロック線図、図１の（ｂ）は時間経過に伴う排気ガス等の温度変化の状態図である。なお、測定温度に排気ガス温度、燃焼ガス温度及び燃焼器メタル温度があるが、排気ガス温度を例にとり説明する。
【００３５】
図１において、ｎ本の熱電対より検出される個々の排気ガス温度１を、分布計算器２に取り込み、燃焼の不安定を見出すために取り込んだ排気ガス温度中の最大値３と最小値４とを取り出し、加算器５によりその差を求め、モニターリレー６により、その差が予め設定していた許容値を超えたと判断された場合は、燃焼異常とみなし、信号７を発信する。
【００３６】
また、ｎ本の熱電対のうち、１本の熱電対が断線した場合のことを考慮して、取り込んだ排気ガス温度中の最小値側から２番目の値８を取り出し、加算器９により、排気ガス温度中の最大値３との差を取り、モニターリレー１０により、その差が予め設定していた許容値を超えたと判断された場合は、燃焼異常とみなし、信号１１を発信する。
【００３７】
また、それらと同時に、上記のｎ本の熱電対により検出される、それぞれの排気ガス温度１を取り込み、それらの排気ガス温度１における個々の変動幅のうちのいずれかが、予め設定していた許容変動幅を超えたと判断された場合は、燃焼異常とみなし、信号１４を発信する。
【００３８】
すなわち、信号７、信号１１及び信号１４のうちのいずれかからの送信により、第１段燃焼部の単独運転への移行の指令を発信させる。
【００３９】
そのほか、信号７、信号１１及び信号１４を組み合わせて設けられた制限条件が成立した場合に、第１段燃焼部の単独運転への移行の指令を発生させる方法も取り入れてある。
【００４０】
以上は、排気ガス温度を測定温度の例にとり説明したものであるが、その他の燃焼状態を監視する項目として、燃焼ガス温度１５又は燃焼器メタル温度１６があるが、これらの燃焼不安定時の温度変化は、排気ガス温度１と同一の傾向を示すので、排気ガス温度の場合と同様の方法によって異常燃焼を捕らえることができる。なお、燃焼ガス温度又は燃焼器メタル温度の測定位置について、次に説明する。
【００４１】
図２は燃焼ガス温度又は燃焼器メタル温度の測定位置の説明図である。図２に示すように、燃焼ガス温度については、第２段燃焼部１８に近い燃焼器１７内に燃焼ガス温度測定用熱電対２０を挿入して測定し、燃焼器メタル温度については、スワラ１９内に燃焼器メタル温度測定用熱電対２１を取り付けて測定している。
【００４２】
上記の方法により、燃焼が不安定な異常燃焼を捕らえた場合、燃料指令信号により、２次燃料ガス遮断弁を全閉させ、１次燃料ガス流量調節弁を全開させて、第２段燃焼部の燃焼を停止させている。
【００４３】
第２段燃焼部の燃焼の停止に関係する燃料ガス流量配分の基本系統を、図に基づいて説明する。
【００４４】
図３は、燃料ガス流量配分の基本系統を示すブロック線図である。すなわち、負荷の要求に応じて、制御装置から燃料指令信号を発し、この信号に基づき、拡散燃焼を採用している第１段燃焼部と予混合燃焼を採用している第２段燃焼部とへの燃料ガスの配分を決めている。
【００４５】
すなわち、負荷の要求するガスタービン全体の燃料指令信号２２の送信の途中に、ガスタービン全体の燃料指令信号２２が設定値より超過するのを制限する高値制限器２３、第１段燃焼部と第２段燃焼部とへの燃料供給比率を組み込んだ乗算器２４、及び第１段燃焼部への燃料指令信号が設定値より超過するのを制限する高値制限器２５を、それぞれ設けてあり、高値制限器２５から１次燃料指令信号２６を発信し、１次燃料ガス流量調節弁の開度を決定している。
【００４６】
一方、２次燃料流量調節弁の開度は、次のようにして決定している。すなわち、高値制限器２３を通過後のガスタービン全体の燃料指令信号２２に対し、１次燃料指令信号２６を発信するラインとは別のラインに加算器２７を設け、加算器２７により、高値制限器２３を通過後のガスタービン全体の燃料指令信号２２から、乗算器２４を通過後のガスタービン全体の燃料指令信号２２を差し引く。
【００４７】
このような引き算を行った後の信号は、第２段燃焼部への燃料指令信号が設定値より超過するのを制限する高値制限器２８を通過した後、２次燃料指令信号２９となって発信され、２次燃料流量調節弁の開度を決定している。
【００４８】
このような燃料ガス流量配分の基本系統において、乗算器２４で設定される第１段燃焼部と第２段燃焼部とへの燃料供給比率を、それぞれ１００％と０％とにすることにより、第２段燃焼部の燃焼を停止させている。
【００４９】
本実施例では、上述のような制御方法を取り入れ、ガスタービンに燃焼が不安定な異常燃焼が生じた場合、第２段燃焼部の燃焼を停止させ、第１段燃焼部の単独燃焼のみの安定した燃焼状態を保持した状態でガスタービンを継続運転をさせており、かつ第１段燃焼部の単独燃焼への移行を円滑に行わせている。
【００５０】
すなわち、第１段燃焼部のみの単独燃焼のみに切り換えた場合は、予混合燃焼方式を採用している第２段燃焼部との併用時に比べて、一時的にＮＯx濃度は上昇するが、ＣＯ濃度は減少し、第１段燃焼部の単独燃焼のみの安定した燃焼状態を保持しながら運転を継続させることができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、２段式燃焼器を有するガスタービンにおいて、第２段燃焼部に異常燃焼が生じた場合、第１段燃焼部のみの単独燃焼に速やかに移行させ、ガスタービンを停止させずに、安定した燃焼状態を保持しながら運転を継続させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の説明図である。
【図２】本発明の一実施例の温度測定位置の説明図である。
【図３】本発明の一実施例のブロック線図である。
【図４】従来の２段式燃焼器を有するガスタービンの説明図である。
【図５】燃空比とＮＯx濃度又はＣＯ濃度との関係線図である。
【図６】従来の燃焼器の取付け状況の説明図である。
【図７】排気ガスの温度分布の測定線図である。
【図８】各燃焼器の排気ガス温度の時間変化を示す線図である。
【符号の説明】
１…排気ガス温度、２…分布計算器、３…最大値、４…最小値、５、９、２７…加算器、６、１０、１３…モニターリレー、７、１１、１４…信号、８…最小値側から２番目の値、１２…変動幅、１５…燃焼ガス温度、１６…燃焼器メタル温度、１７…燃焼器、１８…第２段燃焼部、１９…スワラ、２０…燃焼ガス温度測定用熱電対、２１…燃焼器メタル温度測定用熱電対、２２…ガスタービン全体の燃料指令信号、２３、２５、２８…高値制限器、２４…乗算器、２６…１次燃料信号、２９…２次燃料信号、３０…圧縮機、３１…出口空気、３２…燃焼ガス、３３…タービン部、３４…第１段燃焼部、３５…燃焼用空気、３６…燃料ノズル、３７…燃料、３８…空気流量調整機、３９…ＮＯx濃度、４０…ＣＯ濃度、
４１…ＮＯx、ＣＯ各濃度が共に低い燃空比範囲、４２…排気部、４３…排気ガス温度測定用熱電対、４４…正常時の温度分布、４５…異常時の温度分布、４６…排気ガスの温度変動。
【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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