JP6945468B2 - ガスタービン燃焼器、ガスタービン及びガスタービン燃焼器の制御方法 - Google Patents
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Description
−ガスタービンプラント−
図1は本発明の第1実施形態に係るガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの全体構成を表す模式図、図2は燃焼室側から見たバーナの構成を表す図である。図示したガスタービンプラント100は、発電機Gとこれを駆動する原動機であるガスタービンを備えている。ガスタービンは、圧縮機1、ガスタービン燃焼器(以下、燃焼器)2及びタービン3を備えており、圧縮機1、タービン3及び発電機Gは、共通のシャフトSによって相互に連結されている。
燃焼器2は、燃焼器ライナ10、バーナ5、燃料系統200及び制御装置50(図3)を備えている。バーナ5は、拡散バーナ41及び予混合バーナ42を備えている。拡散バーナ41、予混合バーナ42及び燃焼室11は、ガスタービンのケーシング4の内部に設けられており、燃料系統200はケーシング4の外部に設けられている。
拡散バーナ41は拡散燃焼方式のバーナであり、拡散燃料ノズル41aと旋回羽根41bを備えている。拡散燃料ノズル41aは燃焼器2の中心軸上に配置されており、先端(図1中の右端)に燃料噴孔を備えていて、燃料噴射孔から燃焼室11に(図1中の右方向に)燃料を直接噴射する。旋回羽根41bは拡散燃料ノズル41aの先端付近の外周を囲むようにして設けられており、旋回空気流を噴射することで拡散バーナ41の燃焼安定性を高めている。
予混合バーナ42の隔壁42dには温度計42e(不図示)が設けられている。温度計42eには例えば熱電対を用いることができ、温度計測部は隔壁42dの内部に埋め込まれている。温度計42eの配線は、予混合室42fに露出することなく、例えば隔壁42dの壁内を通って外筒42cの外周部に突き出し、ケーシング4に対して外筒42cを支持するストラット(不図示)の内部を通ってケーシング4の外部に取り出されている。温度計42eの配線は制御装置50に接続している。本実施形態では12枚の隔壁に1枚おきに設置されている(つまり6枚の隔壁に各1つの温度計42eが設けられている)。温度計42eの温度計測部は、予混合燃料ノズル42aの燃料噴射方向において隔壁42dの燃焼室11側の端部と予混合燃料ノズル42aの燃料噴出口との中間に位置している。
図3は制御装置の模式図である。同図に示した制御装置50は制御コンピュータであり、拡散燃料流量調整弁21A及び予混合燃料流量調整弁21B−21Eを制御する機能を含んでいる。本実施形態の制御装置50には、予混合燃料比率制御を実行する機能が備わっている。予混合燃料比率制御は、温度計42eの検出値(検出温度Tm)が対応する設定値Tsを超えた場合、予混合燃料流量調整弁の開度を下げて、拡散燃料流量調整弁の開度を上げる予混合燃料比率制御を実行する制御である。この予混合燃料比制御は、拡散バーナ41及び予混合バーナ42に供給する燃料流量の総量が実行直前と変わらないように行われる。制御装置50に含まれる予混合燃料比率制御回路50bが予混合燃料比率制御を実行する機能部である。
図4はガスタービン負荷に対する系統毎の燃料流量を示す特性図である。同図の横軸は経過時間、縦軸は燃料流量を示している。ガスタービン点火時は、第1、第3及び第4燃料系統20A,20C及び20DからF1燃料、F22燃料及びF23燃料が供給され、拡散バーナ41及び部分バーナ42B,42Cから燃料が噴射される。この間、第2、第5燃料系統20B,20Eから燃料は供給されないため、部分バーナ42A,42Dから燃料は噴射されない。
図6は比較例におけるバーナのメタル温度、予混合燃料比率、燃料流量及び発電量を示す特性図である。同図に示した比較例では本実施形態と同様に、予混合室で火炎が形成されて検出温度Tmが設定値Tsを超えた場合に、一定時間Δt1で予混合燃料(同図ではF2燃料と表記)の流量を下げ、拡散燃料(同図ではF1燃料と表記)の流量を上げる。これにより予混合燃料比率(同図ではF2比率と表記)が下がり、予混合室を消火して検出温度Tmを低下させることができる。
(1)比較例と異なり、本実施形態では予混合燃料比率を下げる際に、拡散燃料及び予混合燃料の燃料流量の総和が変化しないように、予混合燃料の流量の減少分だけ拡散燃料の流量を増加させている(図7)。これにより予混合燃料比率の低下により予混合器の燃空比が火炎保持限界(F2/A2 limit)を下回る一方で(図8)、燃焼器全体の燃空比は維持される(図8)。従って、予混合室42fに形成された火炎を迅速に消しつつ、消火動作に伴う出力低下を維持することができ(図7)、燃焼器2の信頼性と運用性を向上させることができる。図8に破線で示した予混合器燃空比及び燃焼器燃空比は、本実施形態との比較のために示した図6の比較例に対応する表示である。
図9Aは本発明の第2実施形態に係るガスタービン燃焼器の予混合燃料比率制御における予混合燃料比率の低下量(補正量)とガスタービン負荷との関係を表す特性図、図9Bは予混合器燃空比低下量とガスタービン負荷との関係を表す特性図である。
図10は本発明の第3実施形態におけるバーナのメタル温度、予混合燃料比率、燃料流量及び発電量を示す特性図であり、第1実施形態の図7に対応する図である。図11Aは本実施形態の予混合燃料比率制御における予混合燃料比率の低下量(補正量)とガスタービン負荷との関係を表す特性図、図11Bは予混合器燃空比低下量とガスタービン負荷との関係を表す特性図である。図11A及び図11Bは第2実施形態の図9A及び図9Bに対応している。
図13は本発明の第4実施形態におけるバーナのメタル温度、予混合燃料比率、燃料流量及び発電量を示す特性図であり、第1実施形態の図7に対応する図である。本実施形態における制御装置50は、検出温度Tmの変化率ΔTm(上昇率)が対応する設定値ΔTsを超えた場合に予混合燃料比率制御回路50bにより予混合燃料比率制御を実行するように構成されている。検出温度の変化率ΔTmが最も大きい場面は予混合室42fに火炎が形成された場合であり、本実施形態では変化率ΔTm(上昇率)が設定値ΔTsを超えたことをもって予混合室42fに火炎が形成されたことを検知して予混合燃料比率制御を実行する。予混合燃料比率制御自体は第1実施形態と同様である。
図14Aは本発明の第5実施形態に係るガスタービン燃焼器の予混合燃料比率制御における燃料発熱量とゲイン設定との関係を表す特性図、図14Bは予混合燃料比率の低下量(補正量)とガスタービン負荷との関係を表す特性図である。図14Bは図9Bに対応する図である。本実施形態では、カロリーメータ44(図1)で計測された予混合燃料のカロリー(燃料発熱量)の上昇に伴って予混合燃料比率制御に伴う第1−第5燃料流量調節弁21A−21Eの制御量を大きくするように制御装置50が構成されている。具体的には、補正値演算回路50aに図14Aに示すようなカロリーとゲイン設定の関係を規定したデータが格納されている。本実施形態では第2実施形態と同様にガスタービン負荷に応じて予混合燃料比率の低下量(弁開度の補正量)が演算されるが、演算した予混合燃料比率の低下量(弁開度の補正量)がカロリーに応じたゲインを乗じることにより更に補正される。本実施形態では燃料のカロリーとゲインの関係を線形に設定しているが、関係を線形に設定する必要はない。
図15Aは本発明の第6実施形態に係るガスタービン燃焼器の予混合燃料比率制御における燃料の水素濃度とゲイン設定との関係を表す特性図、図15Bは予混合燃料比率の低下量(補正量)とガスタービン負荷との関係を表す特性図である。本実施形態では、濃度計45(図1)で計測された予混合燃料の水素濃度の上昇に伴って予混合燃料比率制御に伴う第1−第5燃料流量調節弁21A−21Eの制御量を大きくするように制御装置50が構成されている。具体的には、補正値演算回路50aに図15Aに示すような水素濃度とゲイン設定の関係を規定したデータが格納されている。本実施形態では第2実施形態と同様にガスタービン負荷に応じて予混合燃料比率の低下量(弁開度の補正量)が演算されるが、演算した予混合燃料比率の低下量(弁開度の補正量)が水素濃度に応じたゲインを乗じることにより更に補正される。本実施形態では燃料の水素濃度とゲインの関係を線形に設定しているが、関係を線形に設定する必要はない。要するに、燃料のカロリーではなく水素濃度に応じてゲインを設定する点を除き、本実施形態は第5実施形態と同様である。
図16は本発明の第7実施形態におけるバーナのメタル温度、予混合燃料比率、燃料流量及び発電量を示す特性図であり、第1実施形態の図7に対応する図である。第6実施形態までは、いずれかの予混合室42fにおける火炎の形成が検知されたら部分バーナ42A−42Dへの燃料流量を一様に減少させて予混合燃料比率を下げたのに対し、本実施形態では火炎の発生した部分バーナに対する燃料流量のみを減少させる。
予混合室42fで火炎が形成されると流体振動(圧力波)が大きくなる。例えば予混合器に圧力計を設け、この流体振動を検知することで、検出温度Tmのみで火炎発生を検知するよりも火炎の検出精度の向上が期待され得る。また、上記の各実施形態は適宜組み合わせ可能である。例えば第1−第6実施形態において、それぞれ第7実施形態を組み合わせて部分バーナ単位で予混合燃料比率を制御することができる。また、第5及び第6実施形態を組み合わせ、燃料のカロリーと水素濃度の2つを基礎として予混合燃料比率の制御量を補正する例も考えられる。また、第4実施形態を他の実施形態に適用して、検出温度Tmの代わりに変化率ΔTmで予混合燃料比率制御及び復帰制御を実行する例も考えられる。
20B−20E…第2−第5燃料系統(予混合燃料系統)、21A…第1燃料流量調整弁(拡散燃料流量調整弁)、21B−21E…第2−第5燃料流量調整弁(予混合燃料流量調整弁)、41…拡散バーナ、41b…予混合燃料ノズル、42…予混合バーナ、42b…内筒、42c…外筒、42d…隔壁、42f…予混合室、42e…温度計、42A−42D…部分バーナ、44…カロリーメータ、45…濃度計、50…制御装置、100…ガスタービンプラント、73…保炎器、Tm…検出温度(温度計の検出値)、Ts,ΔTs…設定値、Δt2…設定時間、ΔTm…変化率(温度計の検出値の上昇率)
Claims (11)
- 拡散燃焼方式の拡散バーナと、前記拡散バーナの拡散燃料系統に設けた拡散燃料流量調整弁と、予混合燃焼方式の予混合バーナと、前記予混合バーナの予混合燃料系統に設けた少なくとも1つの予混合燃料流量調整弁と、前記拡散バーナ及び前記予混合バーナの燃料噴射方向の下流側に燃焼室を形成する燃焼器ライナと、前記拡散燃料流量調整弁及び前記予混合燃料流量調整弁を制御する制御装置とを備えたガスタービン燃焼器であって、
前記予混合バーナが、
前記拡散バーナを囲う内筒と、
前記内筒を囲う外筒と、
前記内筒及び前記外筒の間の円筒状の空間を周方向に並ぶ複数の予混合室に隔てる複数の隔壁と、
前記予混合燃料系統に接続し対応する予混合室に予混合燃料を噴射する複数の予混合燃料ノズルと、
前記隔壁に埋め込んで設置した少なくとも1つの温度計とを備えており、
前記制御装置が、前記温度計の検出値又はその上昇率が対応する設定値を超えた場合、前記拡散バーナ及び前記予混合バーナに供給する燃料流量の総量が変わらないように、前記予混合燃料流量調整弁の開度を下げて、前記拡散燃料流量調整弁の開度を上げる予混合燃料比率制御を実行するように構成されているガスタービン燃焼器。 - 請求項1のガスタービン燃焼器において、
前記温度計が、前記予混合燃料ノズルの燃料噴射方向において前記隔壁の前記燃焼室の側の端部と前記予混合燃料ノズルの燃料噴出口との中間に計測部が位置するように前記隔壁に設けられているガスタービン燃焼器。 - 請求項1のガスタービン燃焼器において、
前記予混合バーナに対して前記燃焼室の側に保炎器が備わっており、
前記隔壁は前記燃焼室の中心軸に平行な平板状の部材であるガスタービン燃焼器。 - 請求項1のガスタービン燃焼器において、
前記制御装置が、前記予混合燃料比率制御の実行後、前記温度計の検出値が前記設定値を下回ってから設定時間が経過したら、前記予混合燃料流量調整弁及び前記拡散燃料流量調整弁の開度を前記予混合燃料比率制御の実行前の値に戻す復帰制御を実行するように構成されているガスタービン燃焼器。 - 請求項1のガスタービン燃焼器において、前記制御装置が、ガスタービンの負荷の上昇に伴って前記予混合燃料比率制御に伴う前記拡散燃料流量調整弁及び前記予混合燃料流量調整弁の制御量を大きくするように構成されているガスタービン燃焼器。
- 請求項1のガスタービン燃焼器において、前記設定値として大きさの異なる複数の値が設定されており、各値に対応して前記拡散燃料流量調整弁及び前記予混合燃料流量調整弁の制御量が設定されていて、前記制御装置により前記予混合燃料比率制御が段階的に実行されるように構成されているガスタービン燃焼器。
- 請求項1のガスタービン燃焼器において、
予混合燃料のカロリーを計測するカロリーメータが設けられており、
前記制御装置が、前記カロリーメータで計測された予混合燃料のカロリーの上昇に伴って前記予混合燃料比率制御に伴う前記拡散燃料流量調整弁及び前記予混合燃料流量調整弁の制御量を大きくするように構成されているガスタービン燃焼器。 - 請求項1のガスタービン燃焼器において、
予混合燃料の水素濃度を計測する濃度計が設けられており、
前記制御装置が、前記濃度計で計測された予混合燃料の水素濃度の上昇に伴って前記予混合燃料比率制御に伴う前記拡散燃料流量調整弁及び前記予混合燃料流量調整弁の制御量を大きくするように構成されているガスタービン燃焼器。 - 請求項1のガスタービン燃焼器において、
前記予混合バーナが、前記予混合室及び前記予混合燃料ノズルを少なくとも1組含み前記拡散バーナを囲んで周方向に並ぶ複数の部分バーナに区分されており、
前記温度計が複数設けられ、前記複数の部分バーナのそれぞれについて少なくとも1枚の隔壁に設けられており、
前記制御装置が、いずれか1つ以上の温度計の検出値が前記設定値を超えた場合、前記設定値を超える検出値を出力した温度計が属する少なくとも1つの部分バーナに対応する前記予混合燃料流量調整弁の開度を下げると共に、その他の部分バーナに対応する前記予混合燃料流量調整弁の開度を維持し、前記拡散バーナ及び前記予混合バーナに供給する燃料流量の総量が変わらないように前記拡散燃料流量調整弁の開度を上げるように構成されているガスタービン燃焼器。 - 圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された空気と共に燃料を燃焼する請求項1のガスタービン燃焼器と、
前記ガスタービン燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動されるタービンとを備えたガスタービン。 - 拡散燃焼方式の拡散バーナと、前記拡散バーナの拡散燃料系統に設けた拡散燃料流量調整弁と、予混合燃焼方式の予混合バーナと、前記予混合バーナの予混合燃料系統に設けた少なくとも1つの予混合燃料流量調整弁と、前記拡散バーナ及び前記予混合バーナの燃料噴射方向の下流側に設けた燃焼室とを備えたガスタービン燃焼器の制御方法において、
前記予混合バーナを、
前記拡散バーナを囲う内筒と、
前記内筒を囲う外筒と、
前記内筒及び前記外筒の間の円筒状の空間を周方向に並ぶ複数の予混合室に隔てる複数の隔壁と、
前記予混合燃料系統に接続し対応する予混合室に予混合燃料を噴射する複数の予混合燃料ノズルと、
前記隔壁に埋め込んで設置した少なくとも1つの温度計とを含んで構成し、
前記温度計の検出値又はその上昇率が対応する設定値を超えた場合、前記拡散バーナ及び前記予混合バーナに供給する燃料流量の総量が変わらないように、前記予混合燃料流量調整弁の開度を下げて、前記拡散燃料流量調整弁の開度を上げるガスタービン燃焼器の制御方法。
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