JP2001082173A - ガスタービン燃焼異常監視制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来、発電用ガスタービンでは、排気部分での
状態量による異常燃焼監視方式を採用していたが、該方
式では、異常燃焼発生前の異常監視をすることが困難で
あった。 【解決手段】燃焼器内部の任意の場所での差圧計測を設
け、該計測値、保炎器温度、排気温度分布及び排気ガス
ＮＯｘ濃度計測値により、異常燃焼発生の予兆を監視す
る手段を設けた。更に、異常燃焼発生時での燃焼器高温
部材への熱的ダメージを評価する手段を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒素酸化物の発生
量を軽減する燃焼方式をもつガスタービン燃焼器のよう
な、安定燃焼条件が通常の拡散燃焼方式よりも厳しい燃
焼部分を有する熱源機器の異常燃焼監視方式・燃料供給
制御装置及び燃焼器予寿命診断技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、大容量発電用のガスタービンで
は、ガスタービン排気ガス温度情報や、燃焼器の内部圧
力変動情報をもとに異常燃焼発生を判断している。前者
は、燃焼状態によって変動する燃焼器内部の燃焼ガス温
度を直接監視することが困難のため、タービン排気部分
の比較的温度が低下したガス温度情報による燃焼温度の
間接的な監視方式である。後者は、燃焼器内部の燃焼状
態及び流動状態の変化に影響を受ける内部圧力を直接監
視する方式である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ガスタービンの排気温
度による監視方式では、計測系の遅れを含んだ異常燃焼
発生後の情報しか得られないという課題がある。

【０００４】また、燃焼器内圧による監視方式では、以
上燃焼発生を判定する有効な方式であるが、「火炎喪失」
又は「火炎戻り」を判定する場合には、前記排気温度監視
または、燃焼器内の部材温度監視と併用した方式とする
必要があった。

【０００５】更に、従来技術においては、異常燃焼発生
による燃焼器本体の予寿命評価に関する提案はなされて
いない。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、燃焼用空気入口部と燃焼部分下流部との圧力差の計
測信号と燃焼器高温部材温度の計測信号とをもとに燃焼
異常発生を判断する手段と、該手段からの信号により燃
焼器への燃料量を調整する手段とを設ける。

【０００７】更に、燃焼ガス下流の排気部分での温度分
布の計測信号を付加して燃焼異常発生判断の信頼性を向
上させる手段を設ける。

【０００８】更に、圧力差の計測信号及び燃焼器高温部
材温度情報をもとに、燃焼器内部圧力差の大きさ及び燃
焼器高温部材温度と燃焼器部材に与える熱的ダメージと
の関係を度数により表現し、異常発生頻度と度数との積
算値をもとに、通常定期点検期間から任意の時間を差引
くことによって点検時期情報を導くことによって燃焼器
部材の予寿命を評価し、点検等の保全情報を提供する手
段を設ける。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。

【００１０】図１に、本発明のガスタービン発電装置へ
の適用例を示す。

【００１１】空気は、圧縮機入口案内翼１により吸込み
流量を調整後、圧縮機２により高圧に圧縮され、燃焼器
３へ供給される。一方燃料は、拡散及び予混合燃料量調
整弁５及び６により流量を調整後、各々前記燃焼器３に
設けられた拡散及び予混合バーナ7及び８へ供給され
る。前記燃焼器３内では、前記高圧空気と燃料とが燃焼
反応により高温・高圧の燃焼ガスを発生する。該ガス
は、タービン４により膨張されることにより、熱エネル
ギーを仕事に変換後、例えば、適用する発電装置が複合発
電或いはコージェネプラントでは、後段の排熱回収ボイ
ラに放出される。

【００１２】前記燃焼器３は、前記拡散・予混合バーナ
７・８と、予混合火炎を安定・保持するための保炎器９
と、拡散及び予混合火炎とが合流する燃焼部分１１と、
前記圧縮機２からの空気流路を形成する燃焼器外筒１０
とから構成されている。

【００１３】次に計測点について、図１を用いて説明す
る。

【００１４】前記燃焼器３では、前記保炎器９内部に挿
入された温度計１２と、前記燃焼器外筒１０により形成
されている、空気流路と燃焼部分１１との差圧を計測す
る差圧計１３とを設置する。タービン４排気部分では、
排気温度分布を計測する温度計１４と、排気ガス内部の
ＮＯｘを計測するＮＯｘ計１５とを設置する。前記温度
計１４は、排気ガスでの温度分布を計測するために、同
心円上に複数個設置される。

【００１５】各計測点からの情報は、制御装置１６へ伝
送され、該装置内部で処理される。

【００１６】該装置１６では、異常燃焼発生と判断され
た場合には、前記拡散・予混合燃料量調整弁５・６の操
作信号を出力すると同時に、燃焼状態及び燃焼器点検に
関する情報を、表示装置１７に出力する。

【００１７】以下に、前記制御装置１６の各計測点から
の入力情報の処理方法について、図２を用いて説明す
る。

【００１８】まず、前記表示装置１７への情報出力処理
方法について説明する。図１中の差圧計１３からの信号
は、３つに分岐される。

【００１９】第１の信号は微分器１８により、差圧変動
率に変換後、変化率記録器１９と比較器２７へ伝送され
る。前記記録器１９からの信号は、予め試運転又は先行
プラント実績により得られる差圧変動率と前記燃焼器３
内の高温部材での温度分布発生との関係式を内包する関
数発生器２０を通り、温度分布による高温部材へ加わる
熱応力を評価する関係式を内包する関数発生器２１へと
伝達される。該関数発生器２１からの信号は、比較器２
２と熱応力値を重み度数に変換する関数発生器器２３へ
と入力され、前記比較器２２にて許容値以上の場合に
は、前記関数発生器２３からの信号と乗算器２４により
演算後、積分器２５により積算された後、比較器２６へ
伝送される。該比較器２６には、前記燃焼器３の高温部
材に加わる熱応力の積算値が、プラント運用上差し支え
ない許容範囲内であるかを判定し、許容値を越えた場合
には、前記燃焼器３の点検情報を論理和器３８へ出力す
る機能を内包している。前記比較器２７は、変化率が許
容値（ｍｍＡｑ）以上の場合には、出力＝１とする設定
が内包されており、フリップフロップ器３０へ信号を出
力する。

【００２０】第２の信号は、前記比較器２７とは異なっ
た許容値（ｍｍＡｑ）を設定した比較器２８を通り、論
理否定器２９を介して、前記フリップフロップ器３０へ
入力される。

【００２１】該フリップフロップ器３０では、以下の入
力関係にて出力値を決定する。即ち、Ｓ＝０、Ｒ＝０で
は、前回演算結果をそのまま出力し、Ｓ＝０、Ｒ＝１で
は、出力＝０、Ｓ＝１、Ｒ＝０では、出力＝１、Ｓ＝
１、Ｒ＝１では、出力＝０とする機能がある。

【００２２】第３の信号は、予め試運転又は先行プラン
ト実績により得られる差圧変動幅と前記燃焼器３内の高
温部材での温度分布発生との関係式を内包する関数発生
器３１を通り、温度分布による高温部材へ加わる熱応力
を評価する関係式を内包する関数発生器３２へと伝達さ
れる。該関数発生器３２からの信号は、比較器３３と熱
応力値を重み度数に変換する関数発生器器３４へと入力
され、前記比較器３３にて許容値以上の場合には、前記
関数発生器３４からの信号と乗算器３５により演算後、
積分器３６により積算された後、比較器３７へ伝送され
る。該比較器３７には、前記燃焼器３の高温部材に加わ
る熱応力の積算値が、プラント運用上差し支えない許容
範囲内であるかを判定し、許容値を越えた場合には、前
記燃焼器３の点検情報を前記論理和器３８へ出力する機
能を内包している。

【００２３】図１中の温度計１２からの信号は、設計計
画時に設定された前記保炎器９の許容温度が設定された
比較器３９と、予め試運転又は先行プラント実績により
得られる異常燃焼時の高温部材への熱的損傷の度合いを
評価する関係式を内包する関数発生器４０へと伝達され
る。前記比較器３９にて許容値以上の場合には、前記関
数発生器４０からの信号と乗算器４１により演算後、積
分器４２により積算された後、比較器４３へ伝送され
る。該比較器４３には、前記燃焼器３の高温部材が受け
る熱的損傷の積算値が、プラント運用上差し支えない許
容範囲内であるかを判定し、許容値を越えた場合には、
前記燃焼器３の点検情報を前記論理和器３８へ出力する
機能を内包している。該論理和器３８からの出力は、図
１中の表示装置１７へと伝達される。

【００２４】図１中の温度計１４からの信号は、演算器
４４にて全計測値平均値と最大計測値、及び最小計測値
との差分として演算される。該演算結果のうち最大値と
の差分結果は、排気温度偏差の最大温度許容値が設定さ
れた比較器４５に伝達され、許容値を超えた場合には、
排気温度分布にヒートスポット、即ち「火炎戻り」が発
生している確度が大きいと判断し、論理積器４７に伝達
される。該論理積器４７は、前記フリップフロップ器３
０からの信号が入力されており、前記燃焼器３内での差
圧が許容値を超えた場合に出力１となり、論理和器４８
に伝達される。

【００２５】該論理和器４８には、前記比較器３９から
の信号が入力されており、前記保炎器９温度が許容値を
超えている場合のどちらかの条件が成立した場合には、
前記表示装置１７に、「火炎戻り」発生の確度大との情
報を伝達する。一方、演算器４４からの最小値との差分
結果は、排気温度偏差の最小温度許容値が設定された比
較器４６に伝達され、許容値を超えた場合には、排気温
度分布にクールスポット、即ち「火炎喪失」が発生して
いる確度が大きいと判断し、論理積器４９に伝達され
る。該論理積器４９は、前記フリップフロップ器３０か
らの信号が入力されており、前記燃焼器３内での差圧が
許容値を超えた場合に出力１となり、論理和器５０に伝
達される。該論理和器５０には、前記比較器３９からの
信号が入力されており、前記保炎器９温度が許容値を大
きく下回っている場合のどちらかの条件が成立した場合
には、前記表示装置１７に、「火炎喪失」発生の確度大
との情報を伝達する。

【００２６】次に、前記燃焼器３への燃料供給制御方式
について説明する。

【００２７】前記論理和器４８からの信号は、２分岐さ
れた後、一方は任意時間が設定されたタイマ５７へ伝達
され、該信号が設定時間を超えても０とならない場合に
は、「火炎戻り」状態が維持されていると判断し、前記
燃焼器３運転状態が拡散・予混合燃焼の場合には、拡散
単独燃焼状態となるように前記燃料弁５、６を操作し、
発電プラントをランバックする。他方の信号は、論理積
器５４及びタイマ５６へ伝達される。該タイマ信号は、
論理否定器５５及び論理積器５９に伝達される。

【００２８】該論理積器５９には、前記タイマ５７から
の信号が論理否定器５８を介して入力されており、該論
理積器５９の出力信号によってスイッチ６２出力を、燃
料指令値減少バイアスが設定された定数設定器６０又は
０バイアスが設定された定数設定器６１との信号に切り
替える。図１中のＮＯｘ計１５からの信号は、許容ＮＯ
ｘを設定された比較器８２を介して、前記論理否定器５
５からの信号と共に、前記論理積器５４に入力される。
該論理積器５４の出力信号によってスイッチ５３出力
を、予混合燃料比率指令値減少バイアスが設定された定
数設定器５１又は０バイアスが設定された定数設定器５
２との信号を切り替える。同様に、前記論理和器５０か
らの信号は、２分岐された後、一方は任意時間が設定さ
れたタイマ６９へ伝達され、該信号が設定時間を超えて
も０とならない場合には、「火炎喪失」状態が維持され
ていると判断し、前記燃焼器３運転状態が拡散・予混合
燃焼の場合には、拡散単独燃焼状態となるように前記燃
料弁５、６を操作し、発電プラントをランバックする。
他方の信号は、論理積器６６及びタイマ６８へ伝達され
る。該タイマ信号は、論理否定器６７及び論理積器７１
に伝達される。該論理積器７１には、前記タイマ６９か
らの信号が論理否定器７０を介して入力されており、該
論理積器７１の出力信号によってスイッチ７４出力を、
燃料指令値増加バイアスが設定された定数設定器７２又
は０バイアスが設定された定数設定器７３との信号に切
り替える。前記論理否定器６７からの信号は、前記論理
積器６６に入力される。該論理積器６６の出力信号によ
ってスイッチ６５出力を、予混合燃料比率指令値増加バ
イアスが設定された定数設定器６３又は０バイアスが設
定された定数設定器６４との信号を切り替える。

【００２９】発電プラントへの出力目標値から得られる
燃料指令値（ＦＦＤ）は、前記スイッチ６２及び７４か
らの信号と共に、加算器７５に伝達された後、２分岐さ
れ、一方は、基準予混合燃料比率指令値を設定した関数
設定器７６へ入力後、前記スイッチ５３及び６５からの
信号と共に加算器７７へ伝達される。該加算器７７から
の信号は、前述の加算器７５からの他方の信号と乗算器
７８により演算後、２分岐された後、燃料弁開度への変
換関数が設定された関数設定器８０へ入力され、前記予
混合燃料量調整弁６の開度信号として出力される。前記
乗算器７８の他方の信号は、前記加算器７５からの信号
と減算器７９によって演算後、燃料弁開度への変換関数
が設定された関数設定器８１へ入力され、前記拡散燃料
量調整弁５の開度信号として出力される。

【００３０】

【発明の効果】以上の方法により、直接燃焼器内部の異
常燃焼発生に伴う圧力分布変動を直接監視し、同時に、
燃焼部分の最も近傍に位置する保炎器温度変化を同時に
監視するため、異常燃焼の予兆が発生段階での安定運用
性を判定することにより、燃料投入量を調整して異常燃
焼を防ぐことができる。

【００３１】更に、従来実施されている排気温度分布及
び排気ガス中のＮＯｘ濃度監視を併用することにより、
異常燃焼発生の判断の信頼性を向上することができる。

【００３２】更に、異常燃焼が発生した場合には、燃焼
器内部の高温部材への影響を推定し、点検が必要である
か、そのまま運用しても差し支えないかを判断し、機器
の保全情報として表示することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスタービン発電装置への適用例を示
す図。

【図２】監視装置１６の詳細図。

【符号の説明】

１…圧縮機入口案内翼、２…圧縮機、３…燃焼器、４…
タービン、５…拡散燃料量調整弁、６…予混合燃料量調
整弁、７…拡散バーナ、８…予混合バーナ、９…保炎
器、１０…燃焼器外筒、１１…燃焼部分、１２…温度
計、１３…差圧計、１４…温度計、１５…ＮＯｘ計、１
６…制御装置、１７…表示装置、１８…微分器、１９…
記録器、２０…関数設定器、２１…関数設定器、２２…
比較器、２３…関数設定器、２４…乗算器、２５…積分
器、２６…比較器、２７…比較器、２８…比較器、２９
…論理否定器、３０…フリップフロップ器、３１…関数
設定器、３２…関数設定器、３３…比較器、３４…関数
設定器、３５…乗算器、３６…積分器、３７…比較器、
３８…論理和器、３９…比較器、４０…関数設定器、４
１…乗算器、４２…積分器、４３…比較器、４４…演算
器、４５…比較器、４６…比較器、４７…論理積器、４
８…論理和器、４９…論理積器、５０…論理和器、５１
…定数設定器、５２…定数設定器、５３…スイッチ、５
４…論理積器、５５…論理否定器、５６…タイマ、５７
…タイマ、５８…論理否定器、５９…論理積器、６０…
定数設定器、６１…定数設定器、６２…スイッチ、６３
…定数設定器、６４…定数設定器、６５…スイッチ、６
６…論理積器、６７…論理否定器、６８…タイマ、６９
…タイマ、７０…論理否定器、７１…論理積器、７２…
定数設定器、７３…定数設定器、７４…スイッチ、７５
…加算器、７６…関数設定器、７７…加算器、７８…乗
算器、７９…減算器、８０…関数設定器、８１…関数設
定器、８２…比較器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平田 義隆 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 高橋 正衛 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立製作所大みか事業所内 (72)発明者 河村 英之 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株 式会社日立製作所大みか事業所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼器の燃料制御装置において、燃焼器
   での燃焼用空気入口部と燃焼部分下流部に圧力計測装置
   を設けることと、該圧力計測信号又は該２点の圧力差計
   測信号と燃焼器内部の高温部材温度の計測信号とをもと
   に燃焼異常発生を判断する機能と、該機能からの信号に
   より燃焼器への燃料量を調整する機能とを設けた燃焼異
   常監視制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１の制御装置において、燃焼ガス
   下流の排気部分での温度分布の計測信号及び排気ガス中
   の窒素酸化物濃度計測信号を付加して燃焼異常発生判断
   の信頼性を向上させる機能を設けた燃焼異常監視制御装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１の制御装置において、前記圧力
   差の計測信号及び燃焼器高温部材温度情報をもとに、燃
   焼器部材の予寿命を評価し、点検等の保全情報を提供す
   る機能を付加した燃焼異常監視制御装置。
4. 【請求項４】 請求項３の機能には、燃焼器内部圧力差
   の大きさ及び燃焼器高温部材温度と燃焼器部材に与える
   熱的ダメージとの関係を度数により表現し、異常発生頻
   度と度数との積算値をもとに、通常定期点検期間から任
   意の時間を差引くことによって点検時期情報を導く機能
   が内包されている燃焼異常監視制御装置。
5. 【請求項５】 請求項１の圧力計測点を、燃焼器内の火
   炎形成部分の上流側と下流側、又は同心円上に複数個設
   置する燃焼異常監視制御装置。
6. 【請求項６】 請求項１の圧力計測位置の燃焼用空気入
   口部とは、例えば燃焼器が二段燃焼方式の場合には、予
   混合器を形成するスワーラ部分又は、スワーラと外筒と
   の間の空気流路部分である燃焼異常監視制御装置。
7. 【請求項７】 請求項１の圧力計測位置の燃焼部分下流
   部とは、例えば燃焼器のバーナ後段の火炎形成位置より
   下流の主室部分である燃焼異常監視制御装置。