JP5972810B2

JP5972810B2 - ガスタービンシステム、ガスタービンの燃焼器制御装置、及びガスタービンの燃焼器制御方法

Info

Publication number: JP5972810B2
Application number: JP2013031186A
Authority: JP
Inventors: 真人岸; 園田　隆; 隆園田; 進也内田; 聡介中村; 嘉和松村; 智子藤井; 哲也矢部; 僚一羽賀
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: KR20150092334A; WO2014129458A1; CN104919159B; CN104919159A; JP2014159786A; KR101707361B1; US20150354467A1; DE112014000907T5

Description

本発明は、ガスタービンシステム、ガスタービンの燃焼器制御装置、及びガスタービンの燃焼器制御方法に関する。

ガスタービンプラントやコンバインドサイクル発電プラントには、ガスタービン燃焼器が組み込まれており、このガスタービン燃焼器からの燃焼ガスをガスタービンに導入してガスタービンを駆動させる。

このような背景に関する技術としては、様々なものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載のガスタービンシステムは、具体的に説明すると、第１のメインノズル関数器は、負荷に応じて所定の関数値に基づく第１のメインノズル制御信号を出力する。第２のメインノズル関数器は、ガスタービンの運転状態に応じて所定の関数値に基づく第２のメインノズル制御信号を出力する。トラッキング回路は、第１のメインノズル制御信号に第２のメインノズル制御信号を追従させ第３のメインノズル制御信号を出力する。パイロットノズル関数器は、第３のメインノズル制御信号に応じてパイロットノズル分配弁を開閉動作させるために所定の関数値に基づく制御信号を出力しこの信号をパイロットノズル制御信号とする。制御手段は、第３のメインノズル制御信号をメインノズル制御信号とする。このように、このガスタービンシステムによっては、安定した２段燃焼を行うことができ、負荷遮断時にパイロットノズル分配弁を所定開度としてパイロットノズルの失火を防止できる。

また、従来、発電所等で使用されるガスタービンでは、圧縮空気と燃料とを燃焼器に供給し、燃焼器における燃焼に伴う高温の燃焼ガスを利用してタービンを回転させ、発電を行っている。

このような背景に関する技術としては、様々なものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特許文献２に記載のガスタービンシステムは、具体的に説明すると、第１情報取得部は、燃焼器に供給される燃料のパイロット比を取得する。第２情報取得部は、燃焼器に供給される空気流量を取得する。目標燃空比取得部は、燃焼器における燃焼状態の安定性で決まるパイロット比と燃空比との関係を示した燃焼維持限界情報を有する。さらに、目標燃空比取得部は、第１情報取得部によって取得したパイロット比に対応する燃空比を燃焼維持限界情報から取得し、燃空比を目標燃空比として出力する。指令作成部は、目標燃空比と第２情報取得部とによって取得した空気流量とを用いて、最低燃料指令を決定する。このように、このガスタービンシステムによっては、負荷遮断や所内単独等のように負荷が急減する事象が発生した場合でも、燃焼器における燃焼を確実に維持することができる。

特開平０５−１４９５４４号公報特開２０１１−０８５１０５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、メイン燃料を設定値にトラッキングさせるものであり、ステージング時の切タイミングを制御することができないので、燃焼器の失火を確実に防止することができない。

特許文献２に記載の技術は、負荷遮断時に安定的な燃焼を行えるものの、予混合パイロットを対象としていないばかりか、メインノズルのステージングを考慮していないために燃焼器の失火を確実に防止できない。

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によると、ガスタービンの燃焼器制御装置であって、ガスタービンの負荷遮断を検出する負荷遮断検出部と、負荷遮断の検出に基づいて、パイロットノズルの予混合燃料の供給量を増加させるパイロットノズル流量制御部と、負荷遮断の検出に基づいて、第一メインノズルへの予混合燃料の供給量を減少させる第一メインノズル流量制御部と、負荷遮断の検出に基づいて、第二メインノズルへの予混合燃料の供給量を所定量まで減少させた後、予め定めた時間の経過後に該供給量をさらに減少させる第二メインノズル流量制御部とを備える。

燃焼器制御装置は、負荷遮断の検出に基づいて、第一メインノズルの流量を一時的に減少させてよい。

燃焼器制御装置は、火炎に必要なパラメータを指標として第二メインノズルへの予混合燃料の供給量を減少させてよい。

燃焼器制御装置は、負荷遮断の検出に基づいて、第二メインノズルへの予混合燃料の供給量を所定量まで減少させた後、予め定めた時間の経過後に該供給量をさらに減少させる際に、遅延時間を設定してよい。

燃焼器制御装置は、ガスタービンに有する入口案内翼の開度調整を含めてよい。

本発明の第２の形態によると、ガスタービンシステムであって、予混合燃料を噴射するパイロットノズルと、パイロットノズルの周囲に設けられて予混合燃料を噴射する第一メインノズル及び第二メインノズルとを有する燃焼器を備えたガスタービンと、上記の何れかの燃焼器制御装置とを備える。

本発明の第３の形態によると、ガスタービンの燃焼器制御方法であって、ガスタービンの負荷遮断を検出する負荷遮断検出段階と、負荷遮断の検出に基づいて、パイロットノズルの予混合燃料の供給量を増加させるパイロットノズル流量制御段階と、負荷遮断の検出に基づいて、第一メインノズルへの予混合燃料の供給量を減少させる第一メインノズル流量制御段階と、負荷遮断の検出に基づいて、第二メインノズルへの予混合燃料の供給量を所定量まで減少させた後、予め定めた時間の経過後に該供給量をさらに減少させる第二メインノズル流量制御段階とを備える。

なおまた、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。

以上の説明から明らかなように、この発明によっては、燃焼器の失火を確実に防止することができる。

第１実施形態のガスタービンシステムの概念ブロック構成図である。第１実施形態のガスタービンシステムの模式図である。第１実施形態のガスタービンにおける燃焼器の模式的断面図である。第１実施形態のガスタービンの燃焼器制御装置の模式的回路図である。第１実施形態のガスタービンの燃焼器制御方法を説明するタイミングチャートである。第２実施形態のガスタービンの燃焼器制御方法を説明するタイミングチャートである。第３実施形態のガスタービンの燃焼器制御装置の模式的回路図である。第４実施形態のガスタービンの燃焼器制御装置の模式的回路図である。第４実施形態のガスタービンの燃焼器制御方法を説明するタイミングチャートである。第５実施形態のガスタービンの燃焼器制御方法を説明するタイミングチャートである。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、第１実施形態のガスタービンシステムの概念ブロック構成図である。図１に示すように、ガスタービンシステム１は、ガスタービン１０、燃焼器制御装置１１を備える。ガスタービン１０は、燃焼器１２を備える。燃焼器１２は、パイロットノズル１３、第一メインノズル１４、第二メインノズル１５を備える。燃焼器制御装置１１は、負荷遮断検出部１６、パイロットノズル流量制御部１７、第一メインノズル流量制御部１８、第二メインノズル流量制御部１９を備える。

パイロットノズル１３は、予混合燃料ガスを噴射するノズルである。第一メインノズル１４は、パイロットノズル１３の周囲で予混合燃料ガスを噴射するノズルである。第二メインノズル１５は、第一メインノズル１４と同様に、パイロットノズル１３の周囲で予混合燃料ガスを噴射するノズルである。負荷遮断検出部１６は、ガスタービン１０の負荷遮断を検出する。パイロットノズル流量制御部１７は、負荷遮断の検出に基づいてパイロットノズル１３の予混合燃料ガスの供給量を増加させる。第一メインノズル流量制御部１８は、負荷遮断の検出に基づいて第一メインノズル１４への予混合燃料ガスの供給量を減少させる。第二メインノズル流量制御部１９は、負荷遮断の検出に基づいて第二メインノズル１５への予混合燃料ガスの供給量を所定量まで減少させた後、予め定めた時間の経過後に供給量をさらに減少させる。なお、メインノズルとしては、第一メインノズル１４、第二メインノズル１５に限らず、第三メインノズルや第四メインノズルを含めた複数であってもよい。その場合、複数群のメインノズルのうち、数系統は回転数制御のために残し、残りの数系統は時間差をもって減少させる等の制御を行う。

図２は、第１実施形態のガスタービンシステムの模式図である。図２に示すように、ガスタービン１０は、タービン本体２０の吸気側に圧縮機２１を備える。ガスタービン１０は、吸気空気の吸入側に吸入空気量を調整するための入口案内翼２２を備える。燃焼器１２は、予混合パイロット燃料ガス流路２３、拡散パイロット燃料ガス流路２４、第一メインノズル燃料ガス流路２５、第二メインノズル燃料ガス流路２６を連通接続している。さらに、燃焼器１２は、第一トップハット燃料ガス流路２７、第二トップハット燃料ガス流路２８等の複数のトップハット燃料ガス流路を連通接続している。

予混合パイロット燃料ガス流路２３は、燃料ガスの上流側から下流側に向けて、予混合燃焼パイロット圧調弁２９、予混合燃焼パイロット流調弁３０をそれぞれ連通接続している。拡散パイロット燃料ガス流路２４は、燃料ガスの上流側から下流側に向けて、拡散燃焼パイロット圧調弁３１、拡散燃焼パイロット流調弁３２をそれぞれ連通接続している。第一メインノズル燃料ガス流路２５は、燃料ガスの上流側から下流側に向けて、第一メインノズル圧調弁３３、第一メインノズル流調弁３４をそれぞれ連通接続している。第二メインノズル燃料ガス流路２６は、燃料ガスの上流側から下流側に向けて、第二メインノズル圧調弁３５、第二メインノズル流調弁３６をそれぞれ連通接続している。

図３は、第１実施形態のガスタービンにおける燃焼器の模式的断面図である。図３に示すように、燃焼器１２は、中心にパイロットノズル１３を設けており、このパイロットノズル１３の外周側に、３つの第一メインノズル１４を円周方向に並べて設けている。そして、燃焼器１２は、パイロットノズル１３の外周側に、５つの第二メインノズル１５を円周方向に並べて設けている。なお、各ノズルの配置や数は、適宜設定することができる。

図４は、第１実施形態のガスタービンの燃焼器制御装置の模式的回路図である。図４に示すように、燃焼器制御装置１１において、予混合パイロット時の負荷遮断信号は、第一スイッチＳＷ１に入力する。また、予混合パイロット時の負荷遮断信号は、ディレイ回路Ｄにより残し時間を設定して第二スイッチＳＷ１に入力する。通常制御による第二メインノズル１５の燃料流量指令算出信号は、第一スイッチＳＷ１のｏｆｆ入力に入力する。残し設定量信号は、第二スイッチＳＷ２のｏｆｆ入力に入力する。ゼロ信号は、第二スイッチＳＷ２のｏｎ入力に入力する。第二スイッチＳＷ２は、第一スイッチＳＷ１のｏｎ入力に入力する。燃焼器制御装置１１は、通常制御による第二メインノズル１５への燃料流量指令を、第一スイッチＳＷ１にて決定する。これに対して、負荷遮断時は、ディレイ回路Ｄにおいて遅延時間を設定してから、第二スイッチＳＷ２及び第一スイッチＳＷ１を通じて第二メインノズル１５への燃料流量指令を決定する。

図５は、第１実施形態のガスタービンの燃焼器制御方法を説明するタイミングチャートである。図５に示すように、時点ｔ１において負荷遮断指令があると、燃焼器制御装置１１は、負荷遮断指令を検出する。時点ｔ１の以後、負荷遮断指令の検出によりパイロットノズル流量制御部１７は、パイロットノズル１３の予混合燃料ガスの供給量を増加させる。そこで、時点ｔ１の以後の時点ｔ２において、第一メインノズル流量制御部１８は、第一メインノズル１４への予混合燃料ガスの供給量を減少させる。そして、第二メインノズル流量制御部１９は、第二メインノズル１５への予混合燃料ガスの供給量を所定量まで減少させた時点ｔ２の以後に供給量をさらに減少させる。これにより、第二メインノズル１５は、所定の期間において所定量の燃料ガスの供給を続ける。そして、この間に、予混合パイロット燃料ガスの供給を立ち上げることにより保炎する。

第１実施形態のガスタービンシステム１によれば、負荷遮断時に、予混合パイロット燃料ガスを増加させるとともに第二メインノズル１５を即時に遮断せずに所定の期間において所定量の燃料ガスの供給を続ける。そして、この間に、予混合パイロット燃料ガスの供給を立ち上げる。従って、ガスタービンシステム１によれば、メイン系統からの火移りを促して燃焼器１２の失炎を確実に防止することができる。

第１実施形態のガスタービンの燃焼器制御装置１１によれば、第二メインノズル１５により所定の期間において所定量の燃料ガスの供給を続け、この間に、予混合パイロット燃料ガスの供給を立ち上げる。従って、ガスタービンの燃焼器制御装置１１によれば、保炎により燃焼器１２の失火を防止できる。

第１実施形態のガスタービンの燃焼器制御方法によれば、第二メインノズル１５により所定の期間において所定量の燃料ガスの供給を続け、この間に、予混合パイロット燃料ガスの供給を立ち上げる。従って、ガスタービンの燃焼器制御方法によれば、保炎により燃焼器１２の失火を防止できる。

次に、第２実施形態について図６を参照しながら説明するが、第１実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。図６は、第２実施形態のガスタービンの燃焼器制御方法を説明するタイミングチャートである。図６に示すように、第２実施形態のガスタービンシステム２は燃焼器制御装置４１を備える。本実施形態のガスタービンの燃焼器制御方法は、時点ｔ１における負荷遮断時に、予混合パイロット燃料ガスを増加させるとともに第二メインノズル１５を即時に遮断せずに所定の期間において所定量の燃料ガスの供給を続ける。そして、時点ｔ１の以後の時点ｔ２までの間において、第一メインノズル１４の燃料ガス供給量を一時的に絞る。

第２実施形態のガスタービンシステム２によれば、負荷遮断時に、予混合パイロット燃料ガスを増加させるとともに第二メインノズル１５を即時に遮断せずに所定の期間において所定量の燃料ガスの供給を続ける。そして、この間に、予混合パイロット燃料ガスの供給を立ち上げ、第一メインノズル１４の燃料ガス供給量を一時的に絞る。従って、ガスタービンシステム２によれば、ガスタービン１０の回転数の大幅な増大を抑制することができる燃焼器制御装置１１を備えることができる。

第２実施形態のガスタービンの燃焼器制御装置１１によれば、第二メインノズル１５により所定の期間において所定量の燃料ガスの供給を続け、この間に、予混合パイロット燃料ガスの供給を立ち上げ、第一メインノズル１４の燃料ガス供給量を一時的に絞る。従って、ガスタービンの燃焼器制御装置４１によれば、ガスタービン１０の回転数の大幅な増大を抑制することができる。

第２実施形態のガスタービンの燃焼器制御方法によれば、第二メインノズル１５により所定の期間において所定量の燃料ガスの供給を続け、この間に、予混合パイロット燃料ガスの供給を立ち上げ、第一メインノズル１４の燃料ガス供給量を一時的に絞る。従って、ガスタービンの燃焼器方法によれば、ガスタービン１０の回転数の大幅な増大を抑制することができる。

次に、第３実施形態について図７を参照しながら説明するが、第１実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。図７は、第３実施形態のガスタービンの燃焼器制御装置の模式的回路図である。図７に示すように、ガスタービンシステム３に有する燃焼器制御装置５１は、閾値を設定する高値モニタＨＭを備える。燃焼器制御装置５１は、保炎に重要な、予混合パイロット火炎温度、予混パイロット燃料流量、予混パイロット燃空比等のパラメータを指標として自動切りを実施する。なお、火炎温度は直接測りにくいので、車室温度、燃料温度、燃空比等の各種状態量からのテーブルで推定値を算出する。

第３実施形態のガスタービンシステム３によれば、失火を確実に防止でき、かつ、適切なタイミングで燃料切りできるのでガスタービン１０の回転数上昇を抑制できる燃焼器制御装置５１を備えることができる。

第３実施形態のガスタービンの燃焼器制御装置５１によれば、失火を確実に防止でき、かつ、適切なタイミングで燃料切りできるのでガスタービン１０の回転数上昇を抑制できる。

第３実施形態のガスタービンの燃焼器制御方法によれば、失火を確実に防止でき、かつ、適切なタイミングで燃料切りできるのでガスタービン１０の回転数上昇を抑制できる。

次に、第４実施形態について図８を参照しながら説明するが、第１実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。図８は、第４実施形態のガスタービンの燃焼器制御装置の模式的回路図である。図８に示すように、ガスタービンシステム４に有する燃焼器制御装置６１は、レートを設定するレートリミッタＲＬを備える。レートリミッタＲＬは、残し設定量を設定するためのスイッチＳＷ３の出力と、スイッチＳＷ２の出力とによりレートを設定する。

図９は、第４実施形態のガスタービンの燃焼器制御方法を説明するタイミングチャートである。図９に示すように、ガスタービンの燃焼器制御方法では、残し設定量は、時点ｔ５の以後の、時点ｔ６、時点ｔ７において段階的に減少するように設定する。

第４実施形態のガスタービンシステム４によれば、第二メインノズル１５の燃料ガス供給量を詳細に設定することにより燃料の無駄を防止できる燃焼器制御装置６１を備えることができる。

第４実施形態のガスタービンの燃焼器制御装置６１によれば、第二メインノズル１５の燃料ガス供給量を詳細に設定することにより燃料の無駄を防止できる。

第４実施形態のガスタービンの燃焼器制御方法によれば、第二メインノズル１５の燃料ガス供給量を詳細に設定することにより燃料の無駄を防止できる。

次に、第５実施形態について図１０を参照しながら説明するが、第１実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。図１０は、第５実施形態のガスタービンの燃焼器制御方法を説明するタイミングチャートである。図１０に示すように、第５実施形態のガスタービンシステム５は燃焼器制御装置７１を備える。本実施形態のガスタービンの燃焼器制御方法は、燃焼側の制御とともに入口案内翼２２の開度を調整して空気流量を調整する。ここで、入口案内翼２２の開度の調整は、無駄時間、レートをパラメータ設定できる。例えば、図１０に仮想線で示したように、入口案内翼を機械的な最大速度で閉めた場合と比べて、時点ｔ１において負荷遮断があった後に、無駄時間を設定したり、レートを遅くしたりすることにより、空気流量を増加できる。

第５実施形態のガスタービンシステム５によれば、空気流量を増やし、圧縮機２１の動力を増やせるのでガスタービン１０の最大回転数を抑制できる燃焼器制御装置７１を備えることができる。

第５実施形態のガスタービンの燃焼器制御装置７１によれば、空気流量を増やし、圧縮機２１の動力を増やせるのでガスタービン１０の最大回転数を抑制できる。

第５実施形態のガスタービンの燃焼器制御方法によれば、空気流量を増やし、圧縮機２１の動力を増やせるのでガスタービン１０の最大回転数を抑制できる。

なお、ガスタービンシステム、ガスタービンの燃焼器制御装置、及びガスタービンの燃焼器制御方法は、前述した各実施形態に限定するものでなく、適宜な変形や改良等が可能である。

例えば、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、及び第５実施形態の一部または全部を組み合わせてもよい。

１ガスタービンシステム
２ガスタービンシステム
３ガスタービンシステム
４ガスタービンシステム
５ガスタービンシステム
１０ガスタービン
１１燃焼器制御装置
１３パイロットノズル
１４第一メインノズル
１５第二メインノズル
１６負荷遮断検出部
１７パイロットノズル流量制御部
１８第一メインノズル流量制御部
１９第二メインノズル流量制御部
４１燃焼器制御装置
５１燃焼器制御装置
６１燃焼器制御装置
７１燃焼器制御装置

Claims

ガスタービンの負荷遮断を検出する負荷遮断検出部と、
前記負荷遮断の検出に基づいて、パイロットノズルの予混合燃料の供給量を増加させるパイロットノズル流量制御部と、
前記負荷遮断の検出に基づいて、第一メインノズルへの予混合燃料の供給量を減少させる第一メインノズル流量制御部と、
前記負荷遮断の検出に基づいて、第二メインノズルへの予混合燃料の供給量を所定量まで減少させた後、予め定めた時間の経過後に該供給量をさらに減少させる第二メインノズル流量制御部と
を備えるガスタービンの燃焼器制御装置。
前記負荷遮断の検出に基づいて、前記第一メインノズルの流量を一時的に減少させる
請求項１に記載の燃焼器制御装置。
火炎に必要なパラメータを指標として前記第二メインノズルへの予混合燃料の供給量を減少させる
請求項１に記載の燃焼器制御装置。
前記負荷遮断の検出に基づいて、前記第二メインノズルへの予混合燃料の供給量を所定量まで減少させた後、予め定めた時間の経過後に該供給量をさらに減少させる際に、遅延時間を設定する
請求項１に記載の燃焼器制御装置。
前記ガスタービンに有する入口案内翼の開度調整を含める
請求項１から４のいずれか一項に記載の燃焼器制御装置。
予混合燃料を噴射するパイロットノズルと、
前記パイロットノズルの周囲に設けられて予混合燃料を噴射する第一メインノズル及び第二メインノズルと
を有する燃焼器を備えたガスタービンと、
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の燃焼器制御装置と、
を備えるガスタービンシステム。
ガスタービンの負荷遮断を検出する負荷遮断検出段階と、
前記負荷遮断の検出に基づいて、パイロットノズルの予混合燃料の供給量を増加させるパイロットノズル流量制御段階と、
前記負荷遮断の検出に基づいて、第一メインノズルへの予混合燃料の供給量を減少させる第一メインノズル流量制御段階と、
前記負荷遮断の検出に基づいて、第二メインノズルへの予混合燃料の供給量を所定量まで減少させた後、予め定めた時間の経過後に該供給量をさらに減少させる第二メインノズル流量制御段階と
を備えるガスタービンの燃焼器制御方法。