JP2860234B2 - ガスタービン燃焼器の燃焼制御方法、及びこの方法を実行するガスタービン燃焼器設備 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、予混合燃焼を行うガス
タービン燃焼器の燃焼制御方法、及びこの方法を実行す
るガスタービン燃焼器設備に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン燃焼器における燃焼状態の
制御は、排出ＮＯｘの低減や、燃焼器出口での燃焼ガス
温度を均一にしてタービン翼に過度の負担を掛けない上
で、重要である。燃焼器の燃焼状態の制御技術に関して
は、例えば、特開昭６０−２１８５３５号公報、特開昭
６１−１３５９４２号公報、特開昭６１−４９１３６号
公報、特開昭６４−２９６２６号公報等に記載されてい
るものがある。これらの技術は、燃焼器出口における燃
焼ガス温度を検出して、この温度に応じて燃料噴射量を
制御するもの、又は燃焼器出口におけるＮＯｘ濃度を検
出して、この濃度に応じて燃料噴射量を制御するもので
ある。

【０００３】また、これらの技術の他に、燃焼器内に形
成されている火炎を撮像し、撮像の結果得られた火炎画
像を利用して、燃料噴射量等を制御するものもある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、ガスタービン燃
焼器は、排出ＮＯｘ量の低減を図るべく、予混合燃焼を
行うものが増えてきている。この予混合燃焼は、排出Ｎ
Ｏｘの低減に関しては拡散燃焼よりも優れているもの
の、火炎の安定性の面で劣っている。このため、予混合
燃焼を行う燃焼器では、予混合バーナの出口に保炎器を
設けたり、燃焼室内に旋回流を形成したりして、予混合
火炎の安定化を図っている。

【０００５】基本的に、従来技術において検出した燃焼
器出口の燃焼ガス温度やＮＯｘ濃度は、燃焼状態と一定
の相関関係があると言える。しかしながら、予混合バー
ナの出口に保炎器を設けたり、燃焼室内に旋回流を形成
させたりすると、燃焼器出口の燃焼ガス温度やＮＯｘ濃
度が、上流側の燃焼状態を正確に示しているとは言えな
くなる。また、燃焼筒の側周から燃焼筒を冷却する等の
ため、燃焼に直接影響のない空気が燃焼室内に供給され
ることも、燃焼器出口の燃焼ガス温度やＮＯｘ濃度が正
確に燃焼状態を示さなくなる一因にもなっている。この
ため、燃焼状態を正確に把握するため、火炎自体の温度
を直接温度計で測定することが考えられるが、火炎の温
度が高いために、この温度に耐えうる温度計が存在せ
ず、火炎自体の温度を直接測定することができない。ま
た、仮りに、火炎温度に耐えうる温度計が存在したとし
ても、この温度計により火炎が乱れ、火炎の安定化の面
から好ましくない。

【０００６】この点、火炎画像から燃焼状態を判断する
ことは、直接火炎を捕らえているので、以上のような問
題点はない。しかしながら、実際問題として、火炎は、
空間内にある広がりをもって存在する上に、火炎自体が
ゆれるために、火炎に対して正確に焦点を合わせること
が難しい。また、撮像方向によっては、火炎相互が重な
ってしまい、目的の火炎を撮像することができない場合
もある。

【０００７】すなわち、従来技術では、正確に燃焼状態
を把握することができず、燃焼状態を的確に制御するこ
とができないという問題点がある。本発明は、このよう
な従来の問題点に着目してなされたもので、燃焼状態を
正確に把握することができ、燃焼状態を的確に制御する
ことができるガスタービン燃焼器の燃焼制御方法、及び
この方法を実行するガスタービン燃焼器設備を提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
のガスタービン燃焼器の燃焼制御方法は、燃料と空気と
を混合し、この混合により生成された予混合気体を噴出
する複数の予混合バーナが環状に配され、該予混合気体
の燃焼により生成される燃焼ガスの循環流を自身の下流
側に形成して、該予混合気体の燃焼により形成される予
混合火炎を保炎する保炎器が、環状に配された複数の該
予混合バーナに沿って、該予混合バーナの下流側に環状
に配されているガスタービン燃焼器の燃焼制御方法にお
いて、前記保炎器の温度と前記予混合気体の燃焼状態と
の相関関係を予め調べておき、環状の前記保炎器の温度
を周方向の複数箇所で測定し、前記保炎器の複数の温度
測定箇所に対応する燃焼領域毎に、測定された該保炎器
の温度に対する燃焼状態を前記相関関係から把握し、 前
記燃焼領域毎の前記燃焼状態に応じて、各燃焼領域に対
応する各予混合バーナへ供給する前記燃料の量を調節す
る、ことを特徴とするものである。

【０００９】ここで、前記燃焼制御方法における前記相
関関係としては、具体的には、前記保炎器の温度が、該
温度に対して予め定めた保炎器設定温度範囲内であるか
否かにより、燃焼正常か燃焼異常かを示すものや、前記
保炎器の温度と前記予混合気体の空燃比との関係を示す
ものや、前記保炎器の温度と前記燃焼ガス中のＮＯｘ濃
度との関係を示すもの等、が考えられる。

【００１０】また、前記目的を達成するためのガスター
ビン燃焼器設備は、燃料と空気とを混合し、この混合に
より生成された予混合気体を噴出する複数の予混合バー
ナが環状に配され、該予混合気体の燃焼により生成され
る燃焼ガスの循環流を自身の下流側に形成して、該予混
合気体の燃焼により形成される予混合火炎を保炎する保
炎器が、環状に配された複数の該予混合バーナに沿っ
て、該 予混合バーナの下流側に環状に配されているガス
タービン燃焼器と、複数の前記予混合バーナ毎に、該予
混合バーナに供給する前記燃料の流量を調節する流量調
節弁と、を備えているガスタービン燃焼器設備におい
て、環状の前記保炎器の周方向における複数箇所の温度
をそれぞれ測定する保炎器温度測定手段と、予め定めら
れた前記保炎器の温度と燃焼状態との相関関係から、前
記保炎器の温度測定箇所に対応する燃焼領域毎に、前記
保炎器温度測定手段で測定された各温度に対する燃焼状
態を把握する燃焼状態把握手段と、前記燃焼状態把握手
段で把握された前記燃焼領域毎の前記燃焼状態に応じ
て、各燃焼領域に対応する前記予混合バーナ毎の燃料供
給量を求め、求めた各燃料供給量を対応する予混合バー
ナに出力する流量演算手段と、を備えていることを特徴
とするものである。ここで、前記ガスタービン燃焼器設
備は、前記燃焼状態把握手段で把握された前記燃焼状態
を表示する表示手段を備えていることが好ましい。

【００１１】また、前記ガスタービン燃焼器設備におい
て、 前記燃焼状態把握手段は、前記相関関係として、前
記保炎器の温度と燃焼領域の空燃比との関係を示す保炎
器温度−空燃比関係を用いて、各燃焼領域毎の空燃比を
求めると共に、各燃焼領域毎の空燃比の平均値を求め
て、各燃焼領域毎に該平均値と各燃焼領域の空燃比との
偏差を求め、 前記流量演算手段は、前記燃焼状態把握手
段で求められた各燃焼領域毎の空燃比偏差に応じて、各
燃焼領域に対応した各予混合バーナ毎の燃料供給量を求
める、 ことを特徴とするものであってもよい。

【００１２】

【作用】従来技術において述べたように、燃焼器出口の
燃焼ガス温度から燃焼状態をある程度予測することは可
能である。しかし、燃焼器出口の燃焼ガスは、予混合燃
焼により生成されてから燃焼器出口に至るまでに各種影
響を受けるために、燃焼器出口の燃焼ガス温度が燃焼状
態を正確に表しているとは言えない。これに対して、予
混合火炎の温度を直接測定することができれば、正確に
燃焼状態を把握することができるものの、高温の火炎温
度を直接測定する温度計が存在しない等の理由により、
予混合火炎自体の温度から燃焼状態を把握することは実
現できない。

【００１３】そこで、本発明では、予混合火炎を保炎す
る保炎器の温度から燃焼状態を把握している。保炎器
は、自身の下流側に予混合燃焼により生成された燃焼ガ
スの循環流を形成して、自身の下流側を高温にし、ここ
を予混合気体の着火ポイントとすることにより、予混合
火炎の安定化を図るものである。従って、予混合燃焼に
より生成されたばかりの燃焼ガスが保炎器に接触するこ
とになる。このため、保炎器の温度から燃焼状態を正確
に把握することができる。また、保炎器の温度は、予混
合火炎の温度より確実に低いため、この温度を温度計に
より実際に測定することも可能である。

【００１４】また、本発明者らは、この保炎器温度と、
燃焼状態を示す指標の一つである空燃比とには、一定の
相関関係を有することを見出した。そこで、この相関関
係を利用して、予混合気体の空燃比を正確に把握するこ
とにより、予混合気体の空燃比を制御することができ
る。

【００１５】

【実施例】以下、本発明に係る各種参考例及び各種実施
例について説明する。

【００１６】まず、本発明の第１の参考例について、図
１〜図６を用いて説明する。図２に示すように、本参考
例のガスタービン設備は、空気を圧縮する圧縮機５０
と、この圧縮機５０で圧縮された空気で燃料を燃焼させ
る複数の燃焼器１０，１０，…と、これら燃焼器１０，
１０，…から排出される燃焼ガスで駆動するガスタービ
ン６０と、このガスタービン６０で駆動する発電機６５
と、これらを制御する制御装置１００とを備えている。

【００１７】燃焼器１０は、図１に示すように、円筒状
の燃焼器ケーシング１１と、一次燃焼室１２を形成する
円筒状の一次燃焼筒１３と、二次燃焼室２１を形成し一
次燃焼筒１３の下流側に配されている二次燃焼筒２２
と、一次燃焼室１２内に燃料を噴射する拡散バーナ１４
と、二次燃焼室２１内に予混合気体を噴出する予混合バ
ーナ２３と、予混合気体の燃焼により形成される予混合
火炎２９を保炎する保炎器３０とを有して構成されてい
る。

【００１８】拡散バーナ１４は、円筒状の燃焼器ケーシ
ング１１の中心軸上に設けられている。一次燃焼筒１３
は、円筒状の燃焼器ケーシング１１の中心軸上で、且つ
拡散バーナ１４の下流側に設けられている。一次燃焼筒
１３の回りには、図４及び図５に示すように、複数の予
混合バーナ２３，２３，…が環状に設けられている。予
混合バーナ２３は、図１に示すように、燃料ノズル２８
と、燃料と空気とを混合する予混合室２４を形成する予
混合室形成体２５とを有している。予混合室形成体２５
は、その上流端にケーシング１１内に流入した空気を取
り入れる取入口２６が形成され、その下流端に予混合気
体を噴出する噴出口２７が形成されている。予混合室２
４内の上流側には燃料ノズル２８が設けられている。

【００１９】保炎器３０は、図１及び図６に示すよう
に、断面がほぼ二等辺三角形状を成している保炎器本体
３１と、この本体３１を支持するための支持脚３２とで
形成されている。断面が二等辺三角形状の保炎器本体３
１は、その頂点に該当する部分が上流側を向き、底辺に
該当する部分が下流側を向き、且つこの底辺に該当する
部分が予混合バーナ２３の噴出口２７よりも下流側に位
置するように、支持脚３２で支持されている。保炎器本
体３１は、図５に示すように、環状に配された複数の予
混合バーナ２３，２３，…に対応して、上下流方向の投
影形状が環状を成し、環状に配された複数の予混合バー
ナ２３，２３，…から噴出される予混合気体を外周側と
内周側との分割できるよう設けられている。保炎器３０
は、予混合バーナ２３内に、放射方向に設けられている
複数の保炎器支持板３３，３３，…に固定されている。
保炎器３０の内部には、図６に示すように、断面が二等
辺三角形状の保炎器本体３１の底辺に該当する部分の温
度を測定すべく、複数の熱電対３５，３５，…が埋め込
まれている。熱電対３５を保炎器に埋め込むために形成
された孔は、銀ろう、あるいはニッケルろう３４で塞が
れている。１基のガスタービン６０に対する複数の燃焼
器１０，１０，…は、通常、同一形状に形成されている
ので、各燃焼器１０，１０，…相互の保炎器温度の対応
がとれるよう、各燃焼器毎の温度計（熱電対）３５の位
置は同一であることが望ましい。この熱電対３５，３
５，…は、信号線を介して、ケーシング外部に設けられ
ている発信器３６と接続されている。この発信器３６か
らの信号は、制御装置１００に入力するようになってい
る。

【００２０】圧縮機５０と複数の燃焼器１０，１０，…
との間には、図２に示すように、圧縮機５０で圧縮され
た空気を燃焼器１０に導くための圧縮空気ライン５１が
設けられている。この圧縮空気ライン５１には、圧縮さ
れた空気の温度を測定する温度計５３、空気圧力を測定
する圧力計５４、空気流量を測定する流量計５２が設け
られている。空気流量計５２としては、熱式質量流量
計、ピトー管式流量計、オリフィス式流量計等、各種流
量計が考えられる。これら温度計５３、圧力計５４、空
気流量計５２からの信号は、制御装置１００に入力する
ようになっている。

【００２１】複数の燃焼器１０，１０，…に燃料を供給
するための燃料ラインは、図２に示すように、主拡散燃
料ライン７１と、この主拡散燃料ライン７１から分岐し
て各燃焼器１０，１０，…の拡散バーナ１４，１４，…
に燃料を供給するための複数の副拡散燃料ライン７４，
７４…と、主予混合燃料ライン８１と、主予混合燃料ラ
イン８１から分岐して各燃焼器１０，１０，…毎に予混
合燃料を分配する複数の副予混合燃料ライン８４，８
４，…と、副予混合燃料ライン８４から分岐して１基の
燃焼器１０に有する複数の予混合バーナ２３，２３，…
毎に予混合燃料を分配する複数の予混合バーナ燃料ライ
ンとがある。但し、図１〜図３においては、図面の都合
上、予混合バーナ燃料ラインを省略している。各燃料ラ
インに流れる燃料は、同一の燃料であり、本参考例にお
いては気体燃料である。主拡散燃料ライン７１、副拡散
燃料ライン７４、主予混合燃料ライン８１、副予混合燃
料ライン８４には、それぞれ、各ラインを通過する燃料
流量を測定する燃料流量計７３，７６，８３，８６と、
燃料調節弁７２，７５，８２，８５が設けられている。
各燃料調節弁７２，７５，８２，８５は、その弁開度を
決めるための流量が制御装置１００からの信号により制
御される。

【００２２】制御装置１００は、図３に示すように、各
燃焼器１０に設けられている複数の熱電対３５，３５，
…で検出された保炎器３０の各位置での温度に応じて各
燃焼器１０内の燃焼が異常か正常かを判定する燃焼異常
判定部１０１，１０１，…と、各燃焼器１０に設けられ
ている複数の熱電対３５，３５，…で検出された保炎器
３０の各位置での温度の平均を求める平均温度演算部１
０２，１０２，…と、この平均温度から各燃焼器１０の
空燃比を求める空燃比演算部１０３，１０３，…と、各
燃焼器１０ごとの空燃比の平均を求める平均空燃比演算
部１０４と、この平均空燃比と各燃焼器１０の空燃比と
の偏差を求める空燃比偏差演算部１０６，１０６，…
と、各燃焼器１０毎の空燃比偏差に基づき副予混合燃料
ライン８４に流す燃料流量を求め、この燃料流量を副予
混合燃料調節弁８５に出力する副予混合燃料量演算部１
０７，１０７，…と、外部からの負荷指令に応じて主予
混合燃料ライン８１に流す燃料流量を求め、この燃料流
量を主予混合燃料調節弁８２に出力する主予混合燃料量
演算部１０８と、平均空燃比から排出ＮＯｘ濃度を予測
する排出ＮＯｘ濃度予測部１０５と、燃焼異常の判定結
果、各燃焼器１０の空燃比、平均空燃比、排出ＮＯｘ濃
度等を表示する表示部１０９とを有している。なお、制
御装置１００には、以上の他、拡散燃料調節弁７２，７
５，７５，…の制御量を求める拡散燃料量演算部等も設
けられている。

【００２３】ところで、以上は、制御装置１００のソフ
トウエアー的構成であり、現実には、本参考例の制御装
置１００は、電子計算機で構成されている。従って、表
示部１０９は、ディスプレイ装置で構成され、その他の
諸機能は、各種データやプログラムが記憶されているＲ
ＯＭやＲＡＭと、これらのプログラム等に従って諸演算
を実行するＣＰＵとを有して構成されている。

【００２４】次に、本参考例の作用について説明する。
燃焼に用いられる空気は、圧縮機５０で圧縮され、圧縮
空気ライン５１を介して各燃焼器１０，１０，…に供給
される。燃焼器１０内に供給された空気は、その一部が
一次燃焼室１２内に直接供給され、残りの一部が予混合
バーナ２３の予混合室２４内に供給される。また、空気
の一部は、一次燃焼筒１３及び二次燃焼筒２２の冷却用
にも用いられるが、ここでは図示しない。一方、予混合
燃焼に用いられる燃料は、主予混合燃料ライン８１、複
数の燃焼器１０，１０，…毎に設けられている副予混合
燃料ライン８４，８４，…、複数の予混合バーナ２３，
２３…毎に設けられている予混合バーナラインを経て、
予混合バーナ２３の燃料ノズル２８に供給される。ま
た、拡散燃焼に用いられる燃料は、主拡散燃料ライン７
１、複数の燃焼器１０，１０，…毎に設けられている副
拡散燃料ライン７４，７４，…を経て、拡散バーナ１４
に供給される。

【００２５】一次燃焼室１２内に供給された空気及び燃
料は、ここで拡散燃焼する。拡散燃焼により生成された
高温の燃焼ガスは、一次燃焼室１２内に流れ込んで、こ
こで形成される予混合火炎２９の安定化に寄与する。

【００２６】予混合バーナ２３の燃料ノズル２８から噴
射された燃料は、ここに供給された空気と混合する。燃
料と空気とが混合して形成された予混合気体は、バーナ
２３の噴出口２７から二次燃焼室２１内に噴出され、こ
こで予混合燃焼する。この燃焼に生成された燃焼ガス
は、保炎器３０の下流側に形成される循環流の中に入り
込み、保炎器３０の下流側部分を高温にする。この結
果、保炎器３０の下流側に予混合火炎２９が安定して形
成される。

【００２７】各燃焼器１０内の燃焼で生成された燃焼ガ
スは、ガスタービン６０に供給され、ガスタービン６０
を駆動する。このガスタービン６０の駆動により、発電
機６５が駆動する。熱電対３５により測定された保炎器
３０の温度は、発信器３６を介して制御装置１００に出
力され、予混合燃料の制御に用いられる。

【００２８】ここで、保炎器３０の温度に基づいた予混
合燃料の制御について説明する。通常、燃焼器１０内の
燃焼状態は、空燃比で表すことができる。本発明者ら
は、この空燃比と保炎器３０の温度とが概略次式の関係
にあることを見出した。従って、保炎器３０の温度から
空燃比を導き出せる結果、保炎器３０の温度から燃焼状
態を把握することができる。 Ｔf＝Ｔ0＋k1・Ｔa−k2・ｌｎ（λ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（数１） ただし、Ｔf：保炎器温度（℃）、Ｔ0：定数（℃）、Ｔ
a：燃焼器１０に流入する空気温度（℃）、k1：定数
（−）、k2：定数（℃）、λ：空燃比（−）である。

【００２９】ところで、上記の定数は燃焼器１０の運転
条件や構造により異なるので、保炎器３０の温度Ｔfと
これとの関係における空燃比λとについて、具体的な数
値を上げることは難しいが、一例を上げると、空燃比λ
(λ=17.4が理論空燃比、この場合燃料はメタンであ
る。)が２９．６から３３.１になると保炎器３０の温度
Ｔｆは約３０℃減少することになる。

【００３０】また、空燃比λと排出ＮＯｘ濃度との関係
は、予混合燃焼部に限定すれば概略次式で表される。 ＮＯｘ＝k3−k4・ｌｎ（λ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（数２） ただし、ＮＯｘ：排出ＮＯｘ濃度（ｐｐｍ）、k3：定数
（ｐｐｍ）、k4：定数（ｐｐｍ）である。なお、（数
２）は、ＮＯｘ濃度と空燃比λとの関係を示すものであ
るが、（数１）を組み合わせることにより、ＮＯｘ濃度
と保炎器温度との関係を規定する式に変形できることは
言うまでもない。

【００３１】制御装置１００は、以上の（数１）及び
（数２）を用いて各燃焼器１０の燃焼状態を把握し、予
混合燃料を制御する。

【００３２】具体的には、各燃焼器１０に設けられてい
る複数の熱電対３５，３５，…からの信号が制御装置１
００に入力されると、各燃焼器１０ごとに対応して設け
られている燃焼異常判定部１０１がこの信号に基づき燃
焼状態が異常か正常かの判定を行う。燃焼状態が異常か
否かの判定は、保炎器３０の温度が予め設定されている
上限値と下限値とで規定される設定温度範囲内か否かに
より判定される。この上限値としては、保炎器３０を形
成する材料の許容温度、例えば、800℃に設定する。ま
た、下限値としては、設定負荷に対応した空燃比から計
算される保炎器３０温度から所定の値、例えば、100℃
を引いた値に設定する。

【００３３】保炎器３０の温度が上限値を超える場合に
は、保炎器３０が溶解し始める可能性が高まると共に、
最悪の場合、逆火する恐れもある。また、保炎器３０の
温度が下限値を下回る場合には、失火が予想される。そ
こで、一基の燃焼器１０における複数の熱電対３５，３
５，…からの信号のうち、一つでも設定温度範囲外のも
のがあれば、全燃焼器１０，１０，…への燃料供給を止
めるべく、異常である旨を主予混合燃料量演算部１０８
に出力し、主予混合燃料調節弁８２を全閉させる。な
お、主予混合燃料量演算部１０８では、通常、外部から
の負荷指令信号に応じた燃料量を求め、この燃料量を主
予混合燃料調節弁８２に出力して、主予混合燃料量を制
御している。このように、主予混合燃料量（全予混合燃
料量）を個々の燃焼器１０への燃料流量の制御とは別個
に制御しているので、個々の燃焼器１０への燃料流量の
制御に時間遅れや誤差が生じる場合でも、発電量が変動
するのを防ぐことができる。

【００３４】燃焼異常でない場合には、保炎器３０の温
度がそのまま平均温度演算部１０２に出力され、そこ
で、保炎器３０の各位置での温度の平均値が求められ
る。空燃比演算部１０３では、保炎器平均温度から、
（数１）を用いて燃焼器毎の空燃比を求める。なお、
（数１）を用いて空燃比を求めるに当たり、燃焼器１０
に流入する空気温度Ｔaが必要であるが、これは圧縮空
気ライン５１に設けられている温度計５３により測定さ
れた値が用いられる。平均空燃比演算部１０４では、全
燃焼器１０，１０，…の空燃比の平均値を求める。この
平均空燃比は、空燃比偏差演算部１０６に出力され、燃
焼器毎の空燃比との偏差が求められる。この空燃比偏差
は、副予混合燃料量演算部１０７に出力されて、この偏
差が無くなるような燃焼器毎の副予混合燃料量が演算さ
れる。但し、各燃焼器１０ごとの副予混合燃料量を加算
したものが、主予混合燃料量（全予混合燃料量）にな
り、主予混合燃料量と主拡散燃料量とを加算したものが
全燃料量にならなければならない。各燃焼器毎の副予混
合燃料量は、各燃焼器毎に設けられている副予混合燃料
調節弁８５に出力され、この燃料量になるよう副予混合
燃料ライン８４を流れる燃料の流量が調節される。

【００３５】また、平均空燃比は、排出ＮＯｘ濃度予測
部１０５にも出力され、この平均空燃比から（数２）を
用いて排出ＮＯｘ濃度が予想される。予測された結果が
予め設定されている上限値を超える場合には、排出ＮＯ
ｘ濃度を下げるべく、上限値を超える分に対応した平均
空燃比が各空燃比偏差演算部１０６に出力される。な
お、新たに求められる平均空燃比は、平均空燃比演算部
１０４で求められた空燃比よりも大きい値（燃料量に対
して空気量が多い）である。各空燃比偏差演算部１０６
では、この新たに求められた平均空燃比と燃焼器毎の空
燃比との偏差を求めることになる。

【００３６】いずれかの燃焼異常判定部１０１，１０
１，…において、燃焼異常と判定した場合には、どの燃
焼器１０，１０，…が燃焼異常であるかが表示部１０９
に表示される。表示部１０９には、この他、各燃焼器毎
の空燃比、全燃焼器１０，１０，…の平均空燃比、排出
ＮＯｘ濃度が表示される。

【００３７】以上のように、本参考例では、保炎器３０
の温度から燃焼状態を把握しているので、保炎器３０の
下流側に形成される予混合火炎２９の温度を直接測定す
るのと実質的にかわりなく、予混合燃焼状態を正確に把
握することができる。

【００３８】通常、本参考例のように、１基のガスター
ビン６０に対して同一仕様の燃焼器１０を複数基設ける
場合、たとえ各燃焼器１０が同一仕様であっても、現実
には、燃焼器毎の製造精度誤差、配管長の長さの相違、
ガス流路の長さの相違等により、燃焼特性は燃焼器１０
ごとに異なっている。燃焼特性が燃焼器１０ごとに異な
ると、当然、各燃焼器１０から排出される燃焼ガス特性
（具体的には、ガス温度やＮＯｘ濃度）も異なってく
る。このため、ガスタービン６０のブレードに掛る負荷
に偏りが生じて、ガスタービン６０の寿命を短くしてし
まったり、一部の燃焼器１０から排出ＮＯｘ量が増大す
る結果、全燃焼器１０，１０，…からの排出ＮＯｘ量の
平均値が増大してしまう等の不具合が生じる。本参考例
では、各燃焼器毎の空燃比を求め、各燃焼器毎の空燃比
が全燃焼器１０，１０，…の平均空燃比になるよう制御
しているので、各燃焼器１０ごとの負荷が平準化され、
上記のような不具合を回避することができる。

【００３９】また、排出ＮＯｘ濃度が上限値を超える場
合には、平均空燃比の値を大きくして、各燃焼器１０の
空燃比がこの平均空燃比になるよう制御されるので、排
出ＮＯｘ濃度の低減も図ることができる。

【００４０】なお、本参考例において、１基の燃焼器１
０における１個の保炎器３０に対して、複数の熱電対３
５，３５，…を設けたが、これは１基の燃焼器１０内の
燃焼状態を正確に把握するためであり、その必要がない
場合は、１個の保炎器３０に対して熱電対３５を１個の
み設けてもでもよい。係る場合、本参考例における制御
装置１００の平均温度演算部１０２が不要になることは
言うまでもない。

【００４１】また、本参考例では、燃焼器毎の空燃比及
び全燃焼器１０，１０，…の平均空燃比を表示する関係
上、これらの値を求めているが、保炎器３０の温度自体
が燃焼状態を示しているので、空燃比を求めることな
く、燃焼器毎の保炎器平均温度から全燃焼器１０，１
０，…の保炎器平均温度を求め、燃焼器毎の保炎器平均
温度と全燃焼器１０，１０，…の保炎器平均温度との偏
差に応じて副予混合燃料を制御するようにしてもよい。

【００４２】次に、本発明に係る第１の実施例について
図７を用いて説明する。本実施例は、１基の燃焼器１０
内の各部における燃焼状態を制御するものである。第１
の参考例の燃焼器１０のように、複数の予混合バーナ２
３，２３，…を備えている燃焼器１０では、各バーナ毎
に予混合バーナ燃料ライン（第１の参考例を示す図３に
おいては省略）８７，８７，…が設けられている。そこ
で、本実施例では、第１の参考例のように各燃焼器１０
に供給される副予混合燃料量の制御ではなく、１基の燃
焼器１０における複数の予混合バーナ２３，２３，…に
供給される各予混合燃料を制御している。予混合バーナ
燃料ライン８７には、予混合バーナ燃料調節弁８８が設
けられている。

【００４３】制御装置１００ａは、１基の燃焼器１０に
設けられている複数の熱電対３５，３５，…で検出され
た保炎器３０の温度に応じて燃焼器１０内の燃焼が異常
か正常かを判定する燃焼異常判定部１０１と、複数の熱
電対３５，３５，…で検出された保炎器３０の各場所で
の温度から温度検出位置に該当する燃料領域の空燃比を
求める空燃比演算部１０３ａ，１０３ａ，…と、空燃比
演算部１０３ａで求められた各空燃比の平均を求める平
均空燃比演算部１０４ａと、この平均空燃比と温度検出
位置に該当する燃料領域の空燃比との偏差を求める空燃
比偏差演算部１０６ａ，１０６ａ，…と、温度検出位置
に該当する各燃料領域毎の空燃比偏差に基づき予混合バ
ーナ毎の予混合燃料量を求める予混合バーナ燃料量演算
部１０７ａ，１０７ａ，…と、外部からの負荷指令に応
じた主予混合燃料量を求める主予混合燃料演算部１０８
と、燃焼異常の判定結果、温度検出位置に該当する燃料
領域の空燃比及び平均空燃比等を表示する表示部１０９
とを有している。制御装置１００ａのこれら諸機能は、
表示部１０９及び主予混合燃料量演算部１０８以外、全
て各燃焼器毎に対応して設けられている。なお、本実施
例は、予混合バーナ燃料ライン８７に予混合バーナ燃料
調節弁８８が設けられている以外、ハード的な構成は第
１の参考例と同様である。

【００４４】次に、本実施例の作用について説明する。
複数の熱電対３５，３５，…からの信号が制御装置１０
０に入力されると、保炎器３０の温度検出位置に該当す
る燃料領域が異常か正常かの判定を燃焼異常判定部１０
１が行う。この燃焼異常か否かの判定は、第１の参考例
と同様に、保炎器３０の温度が予め設定されている上限
値と下限値とで規定される設定温度範囲内か否かにより
判定される。一基の燃焼器１０における複数の熱電対３
５，３５，…からの信号のうち、一つでも設定温度範囲
外のものがあれば、全燃焼器１０，１０，…への燃料供
給を止めるべく、異常である旨を主予混合燃料量演算部
１０８に出力し、主予混合燃料調節弁８２を全閉させ
る。

【００４５】燃焼異常でない場合には、各空燃比演算部
１０３ａ，１０３ａ，…が保炎器３０の各温度検出位置
に該当する各燃料領域の空燃比を（数１）により求め
る。平均空燃比演算部１０４ａでは、保炎器３０の各温
度検出位置に該当する各燃料領域の空燃比の平均値が求
められれる。この平均空燃比は、空燃比偏差演算部１０
６ａ，１０６ａ，…に出力され、各温度検出位置に該当
する各燃料領域の空燃比との偏差が求められる。この空
燃比偏差は、予混合バーナ燃料量演算部１０７ａ，１０
７ａ，…に出力されて、この偏差が無くなるような予混
合バーナ毎の予混合燃料量が演算される。各予混合バー
ナ毎の予混合燃料量は、予混合バーナ燃料調節弁８８に
出力され、この燃料量になるよう予混合バーナ燃料ライ
ン８７を流れる予混合燃料の流量が調節される。

【００４６】以上のように、本実施例においても、第１
の参考例と同様に、保炎器３０の温度から燃焼状態を把
握しているので、予混合燃焼状態を正確に把握すること
ができる。また、予混合バーナ毎の燃料流量が制御され
るので、１基の燃焼器１０内のアンバランスな燃焼状態
を平準化させることができる。

【００４７】なお、図７において、予混合バーナ燃料調
節弁８８，８８，…の数量（＝予混合バーナ２３の数
量）と熱電対３５，３５，…の数量とが同数であるが、
これは単に表記上の都合によるもので、例えば、１基の
燃焼器１０において、３２個の予混合バーナ燃料調節弁
８８，８８，…に対して、４個の熱電対３５，３５，…
であってもよい。この場合、１個の熱電対３５での温度
測定結果に対する予混合燃料制御は、８個（＝３２÷
４）の予混燃料調節弁８８，８８，…で実行される。

【００４８】また、本実施例は、１基の燃焼器１０にお
ける各予混合バーナ２３，２３，…毎の燃料流量制御を
行うものであるが、第１の参考例のように、更に、各燃
焼器１０，１０，…毎の予混合燃料流量を調節すべく、
燃焼器毎の空燃比を求める燃焼器空燃比演算部１０３
と、全燃焼器１０，１０，…の平均空燃比を求める全燃
焼器平均空燃比演算部１０４と、燃焼器毎の空燃比と全
燃焼器１０，１０，…の平均空燃比を求める空燃比偏差
演算部１０６と、この空燃比偏差から副予混合燃料ライ
ン８４に流す燃料量を求める副予混合燃料量演算部１０
７とを、制御装置１００ａに付加してもよい。

【００４９】次に、本発明に係る第２の参考例につい
て、図８及び図９を用いて説明する。本参考例は、保炎
器３０の温度に基づいて、各燃焼器１０ｂに供給される
空気流量を制御するものである。

【００５０】本参考例の燃焼器１０ｂは、図８に示すよ
うに、各予混合バーナ２３の空気取入口２６に、ここか
ら予混合室２４内に流入する予混合燃焼用の空気流量を
測定する空気流量計４１、及びこの空気流量を調節する
予混合空気調節弁４０を設けたもので、その他の構成に
関しては第１の参考例の燃焼器１０と同一である。

【００５１】また、本参考例の制御装置１００ｂは、保
炎器３０の温度に基づいて各燃焼器１０ｂにおける空燃
比を制御するものであるから、基本的には第１の参考例
のものと同一である。但し、本参考例は、各燃焼器１０
ｂの空燃比を制御するに当たり、各燃焼器１０ｂに供給
される空気流量を制御するものであるから、空燃比偏差
演算部１０６で求められた空燃比に基づき予混合バーナ
２３内に供給する空気量を予混合空気量演算部１０７ｂ
で求め、この空気量を予混合空気調節弁４０に出力する
ようにしている。

【００５２】本参考例では、各燃焼器１０に供給される
空気量を制御しているものの、作動結果として各燃焼器
１０の空燃比をほぼ一定にすることができるので、第１
の参考例と同様の効果を得ることができる。なお、本参
考例では、各燃焼器１０に供給される空気量を制御して
いるが、予混合空気調節弁４０は各予混合バーナ２３毎
に設けられているので、第１の実施例と同様に、各予混
合バーナ２３毎に供給される空気量を制御するようにし
てもよい。

【００５３】次に、本発明に係る第２の実施例につい
て、図１０を用いて説明する。本実施例は、以上の実施
例及び参考例における制御を組み合わせたものである。

【００５４】すなわち、本実施例は、各燃焼器における
保炎器温度に基づいて、副予混合燃料調節弁、予混合バ
ーナ燃料調節弁、及び予混合空気調節弁の弁開度を制御
して、各燃焼器ごとの空燃比、及び１基の燃焼器内の空
燃比を調節するものである。従って、制御装置は、以上
の実施例及び参考例の各機能を組み合わせてものにな
る。本実施例によれば、各燃焼器毎の空燃比のアンバラ
ンス、１基の燃焼器内の空燃比のアンバランスを防ぐこ
とができる。但し、本実施例は、各種調節弁の数量が非
常に多くなるために、以上の実施例や参考例よりも製造
コストや故障の面で不利になることは否めない。

【００５５】なお、以上の実施例において保炎器３０の
温度を測定するものとして、熱電対３５を用いたが、保
炎器３０の許容温度近傍の温度を測定することができる
ものであれば、熱電対以外のもの、例えば、測温抵抗体
等を用いていもよい。

【００５６】また、以上の実施例における保炎器３０
は、予混合バーナ２３から噴出する予混合気体を二分割
する、いわゆるブラフボディの保炎器３０であるが、本
発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図１１
に示すように、予混合気体を二分割せずに自身の下流側
に燃焼ガスの循環流を形成する、いわゆるリセス形の保
炎器３０ａに対して本発明を提供してもよい。また、図
１２に示すように、予混合バーナ２３ｂの噴出口２７ｂ
の周囲で且つ噴出口２７ｂの下流側に燃焼ガスの循環流
を形成する保炎器３０ｂであってもよい。これらの保炎
器３０ａ，３０ｂを採用する場合は、予混合火炎２９の
着火ポイントとなる保炎器３０ａ，３０ｂの角部の温度
を測定するようにすることが好ましい。なお、図１１及
び図１２において、４５は旋回羽根を示している。

【００５７】

【発明の効果】保炎器は、自身の下流側に予混合燃焼に
より生成された燃焼ガスの循環流を形成して、予混合火
炎の安定化を図るものであるから、保炎器には、予混合
燃焼により生成されたばかりの燃焼ガスが接触すること
になる。従って、本発明によれば、予混合燃焼により生
成されたばかりの燃焼ガス温度を測定することができる
ため、燃焼状態を正確に把握することができる。また、
本発明では、このように、正確に把握された燃焼状態に
基づいて、各予混合バーナへの燃料流量を調節している
ので、的確に燃焼状態を制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の参考例の燃焼器及び燃焼器
回りの構成を示す説明図である。

【図２】本発明に係る第１の参考例のガスタービン設備
の系統図である。

【図３】本発明に係る第１の参考例の制御装置の機能ブ
ロック図である。

【図４】図１におけるIＶ−IＶ線断面図である。

【図５】図１におけるＶ−Ｖ線断面図である。

【図６】本発明に係る第１の参考例の保炎器の斜視図で
ある。

【図７】本発明に係る第１の実施例の制御装置の機能ブ
ロック図である。

【図８】本発明に係る第２の参考例の燃焼器及び燃焼器
回りの構成を示す説明図である。

【図９】本発明に係る第２の参考例の制御装置の機能ブ
ロック図である。

【図１０】本発明に係る第２の実施例の燃焼器及び燃焼
器回りの説明図である。

【図１１】本発明に係る他の実施例の予混合バーナ及び
保炎器の断面図である。

【図１２】本発明に係る更に他の実施例の予混合バーナ
及び保炎器の断面図である。

【符号の説明】

１０，１０ｂ…燃焼器、１１…ケーシング、１２…一次
燃焼室、１３…一次燃焼筒、１４…拡散バーナ、２１…
二次燃焼室、２２…二次燃焼筒、２３，２３ａ，２３ｂ
…予混合バーナ、２４…予混合室、２６…空気取入口、
２７…噴出口、２８…燃焼ノズル、２９…予混合火炎、
３０，３０ａ，３０ｂ…保炎器、３５…熱電対、４０…
予混合空気調節弁、４１…予混合空気流量計、４５…旋
回羽根、５０…圧縮機、６０…ガスタービン、６５…発
電機、７１…主拡散燃料ライン、７２…主拡散燃料調節
弁、７３…主拡散燃料流量計７３、７４…副拡散燃料ラ
イン、７５…副拡散燃料調節弁、７６…副拡散燃料流量
計、８１…主予混合燃料ライン、８２…主予混合燃料調
節弁、８３…主予混合燃料流量計、８４…副混合燃料ラ
イン、８５…副予混合燃料調節弁、８６…副予混合燃料
流量計、８７…予混合バーナ燃料ライン、８８…予混合
バーナ燃料調節弁、８９…予混合バーナ燃料流量計、１
００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…制御装置、１０
１…燃焼異常判定部、１０２…平均温度演算部、１０
３，１０３ａ…空燃比演算部、１０４，１０４ａ…平均
空燃比演算部、１０５…排出ＮＯｘ予測部、１０６，１
０６ａ…空燃比偏差演算部、１０７…副予混合燃料量演
算部、１０７ｂ…予混合空気量演算部、１０８…主予混
合燃料量演算部、１０９…表示部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒田 倫夫 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (56)参考文献 特開 平５−52125（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−187271（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−102118（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−135942（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02C 9/00 F02C 9/28 F23R 3/00 F23R 3/32 F23R 3/34

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料と空気とを混合し、この混合により生
   成された予混合気体を噴出する複数の予混合バーナが環
   状に配され、該予混合気体の燃焼により生成される燃焼
   ガスの循環流を自身の下流側に形成して、該予混合気体
   の燃焼により形成される予混合火炎を保炎する保炎器
   が、環状に配された複数の該予混合バーナに沿って、該
   予混合バーナの下流側に環状に配されているガスタービ
   ン燃焼器の燃焼制御方法において、 前記保炎器の温度と前記予混合気体の燃焼状態との相関
   関係を予め調べておき、 環状の前記保炎器の温度を周方向の複数箇所で測定し、前記保炎器の複数の温度測定箇所に対応する燃焼領域毎
   に、 測定された該保炎器の温度に対する燃焼状態を前記
   相関関係から把握し、 前記燃焼領域毎の前記燃焼状態に応じて、各燃焼領域に
   対応する各予混合バーナへ供給する前記燃料の量を調節
   する、 ことを特徴とするガスタービン燃焼器の燃焼制御方法。
2. 【請求項２】請求項１に記載のガスタービン燃焼器の燃
   焼制御方法において、 前記相関関係は、前記保炎器の温度が、該温度に対して
   予め定めた保炎器設定温度範囲内であるか否かにより、
   燃焼正常か燃焼異常かを示す保炎器温度−正・異常燃焼
   関係である、 ことを特徴とするガスタービン燃焼器の燃焼制御方法。
3. 【請求項３】請求項２に記載のガスタービン燃焼器の燃
   焼制御方法において、 前記相関関係は、前記保炎器の温度と燃焼領域の空燃比
   との関係を示す保炎器温度−空燃比関係であり、 前記保炎器温度−正・異常燃焼関係を用いて、前記燃焼
   領域毎の燃焼状態が全て燃焼正常であると判断した場合
   には、前記保炎器温度−空燃比関係を用いて、各燃焼領
   域毎の空燃比を求めると共に、各燃焼領域毎の空燃比の
   平均値を求めて、各燃焼領域毎に該平均値と各燃焼領域
   の空燃比との偏差を求め、各燃焼領域毎の空燃比偏差に
   応じて、各燃焼領域に対応した各予混合バーナへ供給す
   る前記燃料の量を調節する、 ことを特徴とするガスタービン燃焼器の燃焼制御方法。
4. 【請求項４】燃料と空気とを混合し、この混合により生
   成された予混合気体を噴出する複数の予混合バーナが環
   状に配され、該予混合気体の燃焼により生成される燃焼
   ガスの循環流を自身の下流側に形成して、該予混合気体
   の燃焼により形成される予混合火炎を保炎する保炎器
   が、環状に配された複数の該予混合バーナに沿って、該
   予混合バーナの下流側に環状に配されているガスタービ
   ン燃焼器と、 複数の前記予混合バーナ毎に、該予混合バーナに供給す
   る前記燃料の流量を調節する流量調節弁と、 を備えているガスタービン燃焼器設備 において、環状の 前記保炎器の周方向における複数箇所の温度をそ
   れぞれ測定する保炎器温度測定手段と、 予め定められた前記保炎器の温度と燃焼状態との相関関
   係から、前記保炎器の温度測定箇所に対応する燃焼領域
   毎に、前記保炎器温度測定手段で測定された各温度に対
   する燃焼状態を把握する燃焼状態把握手段と、前記燃焼状態把握手段で把握された前記燃焼領域毎の前
   記燃焼状態に応じて、各燃焼領域に対応する前記予混合
   バーナ毎の燃料供給量を求め、求めた各燃料供給量を対
   応する予混合バーナに出力する流量演算手段と、 を備えていることを特徴とするガスタービン燃焼器設
   備。
5. 【請求項５】請求項４に記載のガスタービン燃焼器設備
   において、 前記燃焼状態把握手段は、前記相関関係として、前記保
   炎器の温度と燃焼領域の空燃比との関係を示す保炎器温
   度−空燃比関係を用いて、各燃焼領域毎の空燃 比を求め
   ると共に、各燃焼領域毎の空燃比の平均値を求めて、各
   燃焼領域毎に該平均値と各燃焼領域の空燃比との偏差を
   求め、 前記流量演算手段は、前記燃焼状態把握手段で求められ
   た各燃焼領域毎の空燃比偏差に応じて、各燃焼領域に対
   応した各予混合バーナ毎の燃料供給量を求める、 ことを特徴とするガスタービン燃焼器設備。