CN110118363A - 燃气轮机燃烧器、燃气轮机及燃气轮机燃烧器的控制方法 - Google Patents

燃气轮机燃烧器、燃气轮机及燃气轮机燃烧器的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种燃气轮机燃烧器、燃气轮机及燃气轮机燃烧器的控制方法，其快速地对形成于预混合器的内部的火焰进行灭火，抑制伴随灭火的燃气轮机的输出下降。在具备扩散燃烧嘴和预混合燃烧嘴的燃气轮机燃烧器中，由包围扩散燃烧嘴的内筒、包围内筒的外筒、将内筒及外筒之间的圆筒状的空间分隔为在圆周方向上排列的多个预混合室的多个隔壁、向预混合室喷射预混合燃料的多个预混合燃料喷嘴、埋入隔壁而设置的至少一个温度计等构成预混合燃烧嘴，在温度计的检测值超过了对应的设定值的情况下，以向扩散燃烧嘴以及预混合燃烧嘴供给的燃料流量的总量不变的方式使预混合燃料流量调整阀的开度并提高扩散燃料流量调整阀的开度。

Description

燃气轮机燃烧器、燃气轮机及燃气轮机燃烧器的控制方法
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃烧器、燃气轮机及燃气轮机燃烧器的控制方法。
背景技术
近年来，由于对环境保护的限制、社会的要求，具备压缩机、燃烧器以及涡轮机等的燃气轮机要求进一步的高效率化、低NOX化。作为实现燃气轮机的高效率化的方法，具有提高在燃烧器中形成的火焰的温度并提高涡轮机入口的燃烧气体温度的方法，但伴随火焰温度的上升，存在NOX的排出量增加的可能性。
另一方面，作为抑制NOX的排出量的燃烧器，具有采用了预混合燃烧的燃烧器(以下称为预混合燃烧器)(参照专利文献1等)。预混合燃烧是向燃烧室供给在预混合器中预先使燃料和空气混合的混合气体并燃烧的燃烧方式。通过在使燃料与空气混合后向燃烧室供给，具有在燃烧室内形成的火焰的温度均匀化并抑制燃烧器中的NOX的排出量的优点。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2016-035358号公报
在预混合燃烧器中，若混合于燃料的空气的温度上升或燃料所含的含氢量增加，则燃烧速度增加，存在引起在燃烧室内形成的火焰回流到预混合器内的现象(所谓的回火)的情况。另外，也存在伴随从压缩机供给的燃烧用的空气、向燃烧器供给的燃料的飞来物着火，在预混合器的内部形成火焰的情况。若火焰回流到预混合器内或由于某些原因在预混合器内形成火焰，则燃烧气体高温化，因此，存在给予预混合器的下游的构造物的热负荷增大的可能性。当在预混合器的内部形成火焰时，例如能通过减少预混合燃烧用的燃料流量而消除预混合器的内部的火焰。为了使该消火动作自动化，需要检测在预混合器的内部形成火焰的情况。另外，若伴随预混合器的内部的消火，简单地使预混合燃烧用的燃料流量下降，则燃气轮机的输出下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能使在预混合器的内部形成的火焰快速地消火并能抑制伴随消火的燃气轮机的输出下降的燃气轮机燃烧器、燃气轮机及燃气轮机燃烧器的控制方法。
为了实现上述目的，本发明的燃气轮机燃烧器具备扩散燃烧方式的扩散燃烧嘴、设于上述扩散燃烧嘴的扩散燃料系统的扩散燃料流量调整阀、预混合燃烧方式的预混合燃烧嘴、设于上述预混合燃烧嘴的预混合燃料系统的至少一个预混合燃料流量调整阀、在上述扩散燃烧嘴以及上述预混合燃烧嘴的燃料喷射方向的下游侧形成燃烧室的燃烧器内衬、控制上述扩散燃料流量调整阀以及上述预混合燃料流量调整阀的控制装置，上述预混合燃烧嘴具备包围上述扩散燃烧嘴的内筒、包围上述内筒的外筒、将上述内筒以及上述外筒之间的圆筒状的空间分隔为在圆周方向上排列的多个预混合室的多个隔壁、与上述预混合燃料系统连接并向对应的预混合室喷射预混合燃料的多个预混合燃料喷嘴、以及被埋入上述隔壁而设置的至少一个温度计，上述控制装置在上述温度计的检测值或其上升率超过了对应的设定值的情况下，以向上述扩散燃烧嘴以及上述预混合燃烧嘴供给的燃料流量的总量不变的方式执行使上述预混合燃料流量调整阀的开度下降并提高上述扩散燃料流量调整阀的开度的预混合燃料比例控制。
本发明的效果如下。
根据本发明，能使在预混合器的内部形成的火焰快速消火并抑制伴随消火的燃气轮机的输出下降，从而能兼具燃气轮机燃烧器的可靠性和运用性。
附图说明
图1是表示具备本发明的第一实施方式的燃气轮机燃烧器的燃气轮机设备的整体结构的示意图。
图2是从燃烧室侧观察图1的燃气轮机燃烧器所具备的燃烧嘴的图。
图3是图1的燃气轮机燃烧器所具备的控制装置的示意图。
图4是表示相对于图1的燃气轮机燃烧器中的燃气轮机负荷的每个系统的燃料流量的特性图。
图5是表示利用图3的控制装置进行的预混合燃料比例控制的顺序的一例的流程图。
图6是表示比较例的燃烧嘴的金属温度、预混合燃烧比例、燃料流量以及发电量的特性图。
图7是表示第一实施方式的燃烧嘴的金属温度、预混合燃料比例、燃料流量以及发电量的特性图。
图8是表示第一实施方式的燃烧嘴的金属温度、预混合器燃空比以及燃烧器燃空比的特性图。
图9A是表示本发明的第二实施方式的燃气轮机燃烧器的预混合燃料比例控制中的预混合燃料比例的下降量(修正量)与燃气轮机负荷的关系的特性图。
图9B是表示本发明的第二实施方式的燃气轮机燃烧器的预混合燃料比例控制中的预混合器燃空比下降量与燃气轮机负荷的关系的特性图。
图10是表示本发明的第三实施方式的燃气轮机的金属温度、预混合燃料比例、燃料流量以及发电量的特性图。
图11A是表示本发明的第三实施方式的燃气轮机燃烧器的预混合燃料比例控制中的预混合燃料比例的下降量(修正量)与燃气轮机负荷的关系的特性图。
图11B是表示本发明的第三实施方式的燃气轮机燃烧器的预混合燃料比例控制中的预混合器燃空比下降量与燃气轮机负荷的关系的特性图。
图12是表示利用本发明的第三实施方式的燃气轮机燃烧器所具备的控制装置进行的预混合燃料比例控制的顺序的一例的流程图。
图13是表示本发明的第四实施方式的燃烧嘴的金属温度、预混合燃料比例、燃料流量以及发电量的特性图。
图14A是表示本发明的第五实施方式的燃气轮机燃烧器的预混合燃料比例控制中的燃料发热量与增益设定的关系的特性图。
图14B是表示本发明的第五实施方式的燃气轮机燃烧器的预混合燃料比例控制中的预混合器燃空比下降量与燃气轮机负荷的关系的特性图。
图15A是表示本发明的第六实施方式的燃气轮机燃烧器的预混合燃料比例控制中的燃料的氢浓度与增益设定的关系的特性图。
图15B是表示本发明的第六实施方式的燃气轮机燃烧器的预混合燃料比例控制中的预混合器燃空比下降量与燃气轮机负荷的关系的特性图。
图16是表示本发明的第七实施方式的燃烧嘴的金属温度、预混合燃料比例、燃料流量以及发电量的特性图。
图中：1—压缩机，2—燃气轮机燃烧器，3—涡轮机，10—燃烧器内衬，20A—第一燃料系统(扩散燃料系统)，20B-20E—第二至第五燃料系统(预混合燃料系统)，21A—第一燃料流量调整阀(扩散燃料流量调整阀)，21B-21E—第二至第五燃料流量调整阀(预混合燃料流量调整阀)，41—扩散燃烧嘴，41b—预混合燃料喷嘴，42—预混合燃烧嘴，42b—内筒，42c—外筒，42d—隔壁，42f—预混合室，42e—温度计，42A-42D—部分燃烧嘴，44—热量计，45—浓度计，50—控制装置，100—燃气轮机设备，73—火焰稳定器，Tm—检测温度(温度计的检测值)，Ts、△Ts—设定值，△t2—设定时间，△Tm—变化率(温度计的检测值的上升率)。
具体实施方式
下面使用附图说明本发明的实施方式。
<第一实施方式>
图1是表示具备本发明的第一实施方式的燃气轮机燃烧器的燃气轮机设备的整体结构的示意图，图2是表示从燃烧室侧观察的燃烧嘴的结构的图。图示的燃气轮机设备100具备发电机G和作为驱动该发电机G的原动机的燃气轮机。燃气轮机具备压缩机1、燃气轮机燃烧器(以下称为燃烧器)2以及涡轮机3，压缩机1、涡轮机3以及发电机G通过共通的轴S相互连结。
压缩机1被涡轮机3旋转驱动，对通过吸气部(未图示)吸入的空气A1进行加压而生成高压空气A2，并供给到燃烧器2。燃烧器2将从压缩机1供给的高压空气A2和从燃料系统200(后述)供给的燃料一起燃烧并产生的高温的燃烧气体G1供给到涡轮机3。涡轮机3通过从燃烧器2供给的燃烧气体G1的膨胀作用而被旋转驱动。驱动了涡轮机3的燃烧气体G1作为尾气G2排出。发电机G由涡轮机3旋转驱动而产生电力。
-燃气轮机燃烧器-
燃烧器2具备燃烧器内衬10、燃烧嘴5、燃料系统200以及控制装置50(图3)。燃烧嘴5具备扩散燃烧嘴41以及预混合燃烧嘴42。扩散燃烧嘴41、预混合燃烧嘴42以及燃烧室11设于燃气轮机的外壳4的内部，燃料系统200设于外壳4的外部。
燃烧器内衬10是形成燃烧室11的圆筒状的部件，相对于扩散燃烧嘴41以及预混合燃烧嘴42位于燃料喷射方向的下游侧(图中的右侧)。燃烧器内衬10的内侧的空间是燃烧室11，从扩散燃烧嘴41、预混合燃烧嘴42供给的燃料和空气在燃烧室11中燃烧并产生燃烧气体G1。
形成于燃烧器内衬10与外壳4之间的环状的空间构成将高压空气A2从压缩机1向燃烧嘴5的上游侧引导的环状流道43。流入环状流道43的高压空气A2对燃烧器内衬10进行对流冷却。另外，在环状流道43流动的高压空气A2的一部分从设于燃烧器内衬10的外周部的多个冷却孔(未图示)流入燃烧器内衬10的内部，并用于燃烧器内衬10的膜冷却。未流入冷却孔的剩下的高压空气A2通过环状流道43到达扩散燃烧嘴41或预混合燃烧嘴42。到达了扩散燃烧嘴41或预混合燃烧嘴42的高压空气A2从燃料系统200通过燃料头(未图示)与供给到扩散燃烧喷嘴41a或预混合燃料喷嘴42a的燃料一起供给到燃烧室11并燃烧。
-燃烧嘴-
扩散燃烧嘴41是扩散燃烧方式的燃烧嘴，具备扩散燃料喷嘴41a和旋转叶片41b。扩散燃料喷嘴41a配置在燃烧器2的中心轴上，在前端(图1中的右端)具备燃料喷孔，从燃料喷射孔向燃烧室11(图1中的右方向)直接喷射燃料。旋转叶片41b以包围扩散燃料喷嘴41a的前端附近的外周的方式设置，通过喷射旋转空气流，提高扩散燃烧嘴41的燃烧稳定性。
预混合燃烧嘴42是预混合燃烧方式的燃烧嘴，具备内筒42b、外筒42c、多个隔壁(预混合器叶轮)42d、多个预混合燃料喷嘴42a、至少一个温度计42e。内筒42b以及外筒42c是形成预混合器的圆筒状的部件，内筒42b以包围扩散燃烧嘴41的外周的方式设置，外筒42c还以包围内筒42b的外周的方式设置。形成于内筒42b以及外筒42c之间的圆筒状的空间以上游侧(图1中的左侧)朝向径向的外侧(环状流道43)的方式开口，下游侧朝向燃烧器2的中心轴方向(朝向燃烧室11)开口。多个(在本实施方式中为12个)隔壁42d将其圆筒状的空间分隔为多个(在本实施方式中为12个)预混合室42f。预混合室42f是用于燃料和空气混合的空间，在平常的状态下在内部未形成火焰。在预混合室42f的出口部分(相对于预混合燃烧嘴42为燃烧室11侧)具备环型的火焰稳定器73。火焰稳定器73是为了在下游(燃烧室11)形成循环流，在预混合气的流道上作为障碍物设置的物理火焰稳定方式的火焰稳定器。隔壁42d从燃烧室11观察配置为放射状，在本实施方式中，利用与燃烧室11的中心轴平行的平板状的部件形成。隔壁42d为了提高导热效率而形成得较薄(例如数mm左右)。另外，隔壁42d从由内筒42b和外筒42c形成的圆筒状的空间的上游端附近延伸至下游端附近。预混合燃料喷嘴42a与各预混合室42f对应地设置各两个，分别与预混合燃料系统(后述)连接。与扩散燃料喷嘴41a相同，各预混合燃料喷嘴42a也在前端(图1中的右端)具备燃料喷孔，从燃料喷射孔向对应的预混合室42f喷射预混合燃料。由此，从预混合燃料喷嘴42a喷射的燃料在预混合室42f中与高压空气A2混合并成为混合气之后，向燃烧室11(图1中的右方向)喷射。
在本实施方式中，预混合燃烧嘴42被划分为多个(在本实施方式中为四个)部分燃烧嘴42A-42D。部分燃烧嘴42A-42D包围扩散燃烧嘴41在圆周方向(在本实施方式中，从燃烧室11观察绕顺时针为部分燃烧嘴42A、42C、42D、42B的顺序)上排列。在部分燃烧嘴42A-42D中至少包括一组(在本实施方式中为三组)预混合室42h以及预混合燃料喷嘴42a。即，利用隔壁42d将预混合燃烧嘴42分隔为四个部分燃烧嘴42A-42D，还分别利用隔壁42d将部分燃烧嘴42A-42D的预混合室42f在圆周方向上分隔为三个。
如图1所示，燃料系统200具备与燃料供给源(未图示)连接的共通燃料系统20、从该共通燃料系统20分支的第一至第五燃料系统20A-20E。在共通燃料系统20上设置燃料遮断阀(开闭阀)21，在第一至第五燃料系统20A-20E上分别设置第一至第五燃料流量调节阀21A-21E。从共通燃料系统20分支设置的燃料系统的数量未限定为五个。第一燃料系统20A是与扩散燃烧嘴41(扩散燃料喷嘴41a)连接的扩散燃料系统。第二至第五燃料系统20B-20E是与预混合燃料喷嘴42a连接的预混合燃料系统。具体地说，第二燃料系统20B通过对应的燃料头(未图示)连接于部分燃烧嘴42A的六个预混合燃料喷嘴42a，第三燃料系统20C通过对应的燃料头(未图示)与部分燃烧嘴42B的六个预混合燃料喷嘴42a连接。另外，第四燃料系统20D通过对应的燃料头(未图示)连接于部分燃烧嘴42C的六个预混合燃料喷嘴42a，第五燃料系统20E通过对应的燃料头(未图示)连接于部分燃烧嘴42D的六个预混合燃料喷嘴42a。
从第一燃料系统20A供给到扩散燃烧嘴41的扩散燃料(以下称为F1燃料)的流量由第一燃料流量调节阀21A调节。从第二燃料系统20B向部分燃烧嘴42A供给的燃料(以下称为F21燃料)的流量由第二燃料流量调节阀21B调节。从第三燃料系统20C向部分燃烧嘴42B供给的燃料(以下称为F22)的流量由第三燃料流量调节阀21C调节。从第四燃料系统20D向部分燃烧嘴42C供给的燃料(以下称为F23燃料)的流量由第四燃料流量调节阀21D调节。从第五燃料系统20E向部分燃烧嘴42D供给的燃料(以下称为F24燃料)的流量由第五燃料流量调节阀21E调节。通过利用第一至第五燃料流量调节阀21A-21E分别调节F1、F21-F24燃料的各流量，控制燃气轮机设备100的发电量。
-传感器类-
在预混合燃烧嘴42的隔壁42d设置有温度计42e(未图示)。温度计42e例如能使用热电偶，温度计测部被埋入隔壁42d的内部。温度计42e的配线不会向预混合室42f露出，例如通过隔壁42d的壁内向外筒42c的外周部突出，通过相对于外壳4支撑外筒42c的支柱(未图示)的内部并取出到外壳4的外部。温度计42e的配线连接于控制装置50。在本实施方式中，在12张隔壁隔一张设置(即，在六张隔壁上各设置一个温度计42e)。温度计42e的温度计测部在预混合燃料喷嘴42a的燃料喷射方向上位于隔壁42d的燃烧室11侧的端部与预混合燃料喷嘴42a的燃料喷出口的中间。
另外，能够在共通燃料系统20上设置热量计44、浓度计(例如气体色谱法)45。热量计44是计测预混合燃料的卡路里的传感器，与控制装置50连接。热量计44可以代替设置于共通燃料系统20，而设置于预混合燃料系统20B-20E的至少一个。浓度计45是计测预混合燃料的氢浓度等的传感器，连接于控制装置50。浓度计45代替设置于共通燃料系统20，也可以设置于预混合燃料系统20B-20E的至少一个。另外，可以在作为向共通燃料系统20供给的燃料的供给源的燃料供给设备(未图示)上设置热量计44、浓度计45。热量计44、浓度计45在本实施方式中不是必须元件，但热量计44在第五实施方式(图14A以及图14B)中是必须的，浓度计45在第六实施方式(图15A及图15B)中是必须的。
-控制装置-
图3是控制装置的示意图。该图所示的控制装置50是控制计算机，包括控制扩散燃料流量调整阀21A以及预混合燃料流量调整阀21B-21E的功能。本实施方式的控制装置50具备执行预混合燃料比例控制的功能。预混合燃料比例控制是在温度计42e的检测值(检测温度Tm)超过对应的设定值Ts的情况下，执行使预混合燃料流量调整阀的开度下降，提高扩散燃料流量调整阀的开度的预混合燃料比例控制的控制。该预混合燃料比例控制以供给到扩散燃烧嘴41以及预混合燃烧嘴42的燃料流量的总量与执行之前没有变化的方式进行。控制装置50所包含的预混合燃料比例控制电路50b是执行预混合燃料比例控制的功能部。
在本实施方式中，伴随预混合燃料比例控制，供给到预混合燃烧嘴42的燃料流量减少为预先设定的恒定值。该恒定值是以由从预混合喷嘴41b喷射的预混合燃料的总量和高压空气A2的流量(设定值)决定的预混合燃料的燃空比低于火焰保持界限的方式设定的值。火焰保持界限是能保持火焰的燃空比的最大值，是基于可燃界限计算出的值。如果预混合器燃空比低于火焰保持界限，则由预混合燃料产生的火焰消失。控制装置50在执行预混合燃料比例控制时，计算用于使预混合燃料的供给流量从现在的值下降到上述的恒定值的预混合燃料流量控制阀的开度的修正值(减少量)，输出到预混合燃料流量控制阀。同时，控制装置50在预混合燃料比例控制时，计算用于修正预混合燃料的供给流量的减少量的扩散燃料流量控制阀的开度的修正值(增加量)，输出到扩散燃料流量控制阀。控制装置50所包括的修正值计算电路50a是计算预混合燃料流量控制阀以及扩散燃料流量控制阀的开度的修正值的功能部。
另外，控制装置50还具备执行复位控制的功能。复位控制是在执行了预混合燃料比例控制后，若温度计42e的检测值低于设定值Ts后经过设定时间△t2，则使预混合燃料流量调整阀以及扩散燃料流量调整阀的开度返回预混合燃料比例减少控制的执行前的值的控制。控制装置50所包含的复位控制电路50c是执行复位控制的功能部。
-动作-
图4是表示相对于燃气轮机负荷的每个系统的燃料流量的特性图。该图的横轴表示经过时间，纵轴表示燃料流量。燃气轮机点火时，从第一、第三以及第四燃料系统20A、20C以及20D供给F1燃料、F22燃料以及F23燃料，从扩散燃烧嘴41以及部分燃烧嘴42B、42C喷射燃料。在该期间，由于未从第二、第五燃料系统20B、20E供给燃料，因此不从部分燃烧嘴42A、42D喷射燃料。
燃气轮机点火后，切换为只供给F1燃料(只从扩散燃烧嘴41喷射燃料)的单独燃烧，通过F1燃料的增加使涡轮机3升速直到达到额定转数无负荷状态(FSNL:Full Speed NoLoad)。若涡轮机3升速到额定转数则开始发电，使燃气轮机负荷增加直到额定转数额定负荷(FSFL:Full Speed Full Load)。在该期间，根据燃气轮机负荷的增加，以燃烧嘴5的燃空比成为稳定燃烧范围的方式按照F21燃料、F22燃料、F23燃料、F24燃料的顺序追加供给燃料，使燃料的供给范围阶段性地扩大。在这种流程中，利用控制装置50(或其他控制装置)控制燃料系统，在转移到从扩散燃烧嘴41以及部分燃烧嘴42A-42D的全部喷射燃料的全燃烧状态后，燃气轮机负荷达到额定转数额定负荷(FSFL)。
图5是表示利用控制装置50进行的预混合燃料比例控制的顺序的一例的流程图。在燃气轮机的运转中(包括燃气轮机负荷到达上述FSFL的前以及后)反复执行图5的顺序。首先，控制装置50通过预混合燃料比例控制电路50b判断温度计42e(例如任一个的温度计42e)的检测温度Tm是否超过设定值Ts(步骤S11)。温度计42e的温度计测部被埋入隔壁42d的厚度的内部，因此在正常的运转状态下，温度计42e的检测温度Tm接近向预混合室42f供给的高压空气A2和预混合燃料的混合温度(Tm≤Ts)。这样，在运转状态正常且检测温度Tm(例如全部的温度计42e的检测温度Tm)为设定值Ts以下的情况下，控制装置50结束图5的顺序。另一方面，隔壁42d是热传导性好的薄板。因此，例如在由于来自燃烧室11的火焰的回流(回火)、伴随高压空气A2、燃料的飞来物(着火源)的流入，而在预混合室42f的内部形成火焰的情况下，由温度计42e检测到的检测温度Tm由于来自火焰的热传递而上升(为Tm>Ts)。这样，当在预混合室42f形成火焰且检测温度Tm(例如任一个的温度计42e的检测温度Tm)超过了设定值Ts时，控制装置50使顺序从步骤S11转移到步骤S12。
在Tm>Ts的情况下，控制装置50利用修正值计算电路50a计算第一至第五燃料流量调节阀21A-21E的开度的修正值(步骤S12)，利用预混合燃料比例控制电路50b控制第一至第五燃料流量调节阀21A-21E的开度(步骤S13)。由此，第二至第五燃料流量调节阀21B-21E的开度下降，预混合燃料比例低于火焰保持界限，在预混合室42f的内部形成的火焰消失。这期间，通过根据预混合燃料的减少量，提高第一燃料流量调节阀21A的开度而增加扩散燃料的流量，供给到燃烧嘴5的燃料的总流量维持为执行预混合燃料比例控制之前的值。
若执行了步骤S12、S13的顺序，则控制装置50通过复位控制电路50c判断温度计42e(例如全部的温度计42e)的检测温度Tm是否下降为设定值Ts以下(步骤S14)。在Tm>Ts期间，控制装置50反复进行步骤S14的顺序，维持利用预混合燃料比例控制的各阀的开度。若由于消火而成为Tm≤Ts，则控制装置50通过复位控制电路50c判断距离成为Tm≤Ts的时刻的经过时间t是否超过设定时间△t2(步骤S15)。直到经过设定时间△t2，控制装置50反复进行步骤S15的顺序，若经过了设定时间△t2，则利用复位控制电路50c执行之前说明的复位控制(步骤S15)，结束图5的顺序。
-比较例-
图6是表示比较例的燃烧嘴的金属温度、预混合燃料比例、燃料流量以及发电量的特性图。在该图所示的比较例中，与本实施方式相同，当在预混合室中形成火焰且检测温度Tm超过了设定值Ts的情况下，在恒定时间△t1使预混合燃料(在该图中标记为F2燃料)的流量下降，提高扩散燃料(在该图中标记为F1燃料)的流量。由此，预混合燃料比例(在该图中标记为F2比例)下降，能使预混合室消火而使检测温度Tm下降。
但是，扩散燃料的流量增加量小于预混合燃料的流量减少量，伴随预混合室的消火动作，供给到燃烧嘴的燃料的总流量下降，发电量相应地下降。
-效果-
(1)与比较例不同，在本实施方式中，在使预混合燃料比例下降时，以扩散燃料以及预混合燃料的燃料流量的总和不变化的方式以预混合燃料的流量的减少量使扩散燃料的流量增加(图7)。由此，通过预混合燃料比例下降，预混合器的燃空比低于火焰保持界限(F2/A2limit)(图8)，另一方面，维持燃烧器整体的燃空比(图8)。因此，能迅速地使形成于预混合室42f的火焰消失且维持伴随消火动作的输出下降(图7)，能提高燃烧器2的可靠性和运用性。图8中用虚线表示的预混合器燃空比以及燃烧器燃空比是与为了与本实施方式的比较而表示的图6的比较例对应的表示。
此时，在本实施方式中，通过使将预混合燃烧嘴42分隔为多个预混合室42f的多个隔壁42d薄板化并提高导热性，在该薄板状的隔壁42d中埋设温度计42e，能迅速地检测预混合室42f的内部中的火焰的形成。由此，在使上述的消火动作(预混合燃料比例控制)自动化时，能充分地提高充分的应答性和火焰检测的可靠性，能使预混合比例的自动控制实用化。在检验过程中，在通过该控制，NOX排出量开始增加后，在数十秒左右返回原来的值。能使形成于预混合器的内部的火焰迅速且自动地消失，抑制伴随消火的燃气轮机的输出下降，因此能提高预混合燃烧嘴的运用效率。
(2)具有在预混合室42f中的预混合气的存在范围、即预混合室42f中的预混合燃料喷嘴42a的下游区域形成火焰的可能性。在此，如上所述，作为在预混合室42f中形成火焰的主要原因，除了来自燃烧室11的火焰的回流，还示例伴随高压空气A2、燃料的飞来物向预混合室42f的流入。在由于回火而在预混合室42f中形成火焰的情况下，隔壁42d的温度从靠近燃烧室11的一方上升，在由于飞来物而在预混合室42f中形成火焰的情况下，还具有隔壁42d的温度从靠近预混合燃料喷嘴42a的一方上升的情况。因此，如本实施方式那样，通过将温度计42e的温度计测部配置在隔壁42d的燃烧室11侧的端部与预混合燃料喷嘴42a的燃料喷出口之间，能没有迟滞地检测由回火引起的火焰、由飞来物引起的火焰。
但是，只要得到上述基本的效果(1)，在将温度计42e埋设在隔壁42d中时，温度计42e的设置位置不需要是隔壁42d的燃烧室11侧的端部与预混合燃料喷嘴42a的燃料喷出口的中间。例如，在重视回火的检测的情况下，可以使温度计42e的温度计测部的配置移动到隔壁42d的燃烧室11侧的端部附近。
(3)在本实施方式中，在执行预混合燃料比例控制后，若从检测温度Tm低于设定值Ts经过了设定时间△t2，则燃料比例自动复位。如上所述，由于通过上述的温度计42e的设置上所下的功夫，确保较高的检测灵敏度，因此不仅能良好地检测预混合室42d中的火焰的产生，也能灵敏度良好地检测消火，能进行燃料比例的自动复位。这也对提高运用效率有很大作用。除此之外，例如存在伴随高压空气A2、燃料的飞来物在某个时期间歇性地流入预混合室42f的情况。因此，关于由飞来物引起的火焰的形成，存在消火后不久再次产生的情况。关于回火，也根据燃烧条件引起相同的情况。在这种情况下，若在消火不久之后执行复位动作，则存在预混合燃料比例控制和复位控制在短时间内反复执行的情况。相对于此，在本实施方式中，通过在消火后经过恒定时间且等到燃烧状态稳定而执行复位控制，能抑制燃烧状态的频繁的变动(例如NOX排出量的增减)。
<第二实施方式>
图9A是表示本发明的第二实施方式的燃气轮机燃烧器的预混合燃料比例控制的预混合燃料比例的下降量(修正量)与燃气轮机负荷的关系的特性图，图9B是表示预混合燃烧器燃空比下降量与燃气轮机负荷的关系的特性图。
本实施方式是控制装置50构成为伴随燃气轮机的负荷的上升增大伴随预混合燃料比例控制的第一至第五燃料流量调节阀21A-21E的控制量的点。为燃气轮机负荷越高，预混合燃料的流量越大的状态。因此，为了使预混合器燃空比下降到低于火焰保持界限(图9B)，需要燃气轮机负荷越高，越使预混合燃料的流量下降。在本实施方式中，将规定了图9A那样的根据燃气轮机负荷的预混合燃料比例的修正量的关系的数据预先收纳于修正值计算电路50a，基于数据利用修正值计算电路50a计算根据燃气轮机负荷的修正量。在本例中，示例为根据燃气轮机负荷修正量线性地增加的设定的情况，但燃气轮机负荷与修正量的关系线未必设定为直线。关于其他方面，本实施方式与第一实施方式相同。
即使根据本实施方式，也能得到与第一实施方式相同的效果。另外，通过如上述那样确定修正量，能根据燃气轮机负荷一意地决定适当的修正量，能减轻伴随控制的控制装置50的计算的负荷。另外，也考虑不论燃气轮机负荷如何，都使预混合燃料的流量下降至最低限的值的情况，但在该情况下，存在燃气轮机负荷越大，修正量越变大，燃烧状态过大地变化的可能性。相对于此，根据本实施方式，由于使预混合燃料的流量下降到预混合器燃空以恒定的比例低于火焰保持界限的程度，因此能抑制过大的燃烧状态的变化(例如NOX排出量的增加)。
<第三实施方式>
图10是表示本发明的第三实施方式的燃烧嘴的金属温度、预混合燃料比例、燃料流量以及发电量的特性图，是与第一实施方式的图7对应的图。图11A是表示本实施方式的预混合燃料比例控制中的预混合燃料比例的下降量(修正量)与燃气轮机负荷的关系的特性图，图11B是表示预混合器燃空比下降量与燃气轮机负荷的关系的特性图。图11A及图11B与第二实施方式的图9A以及图9B对应。
在本实施方式中，如图10所示，关于检测温度Tm设定大小不同的多个(在本实施方式中为两个)设定值Ts1、Ts2(Ts1<Ts2)。并且，与各设定值Ts1、Ts2对应地设定第一至第五燃料流量调节阀21A-21E的不同的控制量。控制装置50如图10所示利用修正值计算电路50a计算与检测温度Tm对应的修正值，利用预混合燃料比例控制电路50b阶段性地执行预混合燃料比例控制。另外，在本实施方式中，说明执行两阶段的预混合燃料比例的控制的例子，但也能为三阶段以上的控制。
将图11A那样的根据燃气轮机负荷的预混合燃料比例的修正量△F2A、△F2B的数据存储于修正值计算电路50a。△F2A是在Ts1<Tm≤Ts2的情况下的修正量，△F2B是Tm>Ts2的情况下的修正量。修正量△F2A、△F2B与第二实施方式相同，为根据燃气轮机负荷线形地增加的设定，但燃气轮机负荷与修正量的关系线未必需要设定为直线。关于其他方面，本实施方式与第一实施方式相同。
图12是表示利用本实施方式的燃气轮机燃烧器所具备的控制装置进行的预混合燃料比例控制的顺序的一例的流程图。图12的顺序与第一实施方式的图5的顺序不同之处在于将步骤S11的顺序置换为步骤S11A、S11B和将步骤S12的顺序置换为步骤S12A、S12B的顺序。
即，控制装置50首先利用预混合燃料比例控制电路50b判断温度计42e(例如任意的温度计42e)的检测温度Tm是否超过设定值Ts1(步骤S11A)。这样，在运转状态正常且检测温度Tm(例如全部的温度计42e的检测温度Tm)为设定值Ts1以下的情况下，控制装置50结束图12的顺序。在检测温度Tm(例如任意的温度计42e的检测温度Tm)超过设定值Ts1的情况下，控制装置50判断温度计42e(例如任意的温度计42e)的检测温度是否为设定值Ts2以下(步骤S11B)。如果检测温度Tm为设定值Tm2以下(Ts1<Tm≤Ts2)，则控制装置50将顺序转移到步骤S12A，若检测温度Tm超过设定值Tm2(Tm>Ts2)，则控制装置50将顺序转移到步骤S12B。如果是Ts1<Tm≤Ts2，则控制装置50利用修正值计算电路50a以预混合燃料比例的下降量为△F2A的方式计算第一至第五燃料流量调节阀21A-21E的开度的修正值，并将顺序转移到步骤S13(步骤S12A)。如果为Tm>Ts2，则控制装置50利用修正值计算电路50a以预混合燃料比例的下降量为△F2B的方式计算第一至第五燃料流量调节阀21A-21E的开度的修正值，将顺序转移到步骤S13(步骤S12B)。以后，S13-S16的顺序与图5相同。
在本实施方式中，与第一实施方式相同的效果是当然的，通过阶段性地控制预混合燃料比例，能抑制燃烧状态的变化(例如NOX排出量的增加)。例如在检测温度Tm超过了设定值Ts1的阶段，使预混合燃料比例只以△F2A下降，由此，如果检测温度Tm不到达设定值Ts2地低于Ts1，则能将预混合燃料比例的下降量抑制为比△F2B更小的△F2A。
<第四实施方式>
图13是表示本发明的第四实施方式的燃烧嘴的金属温度、预混合燃料比例、燃料流量以及发电量的特性图，是与第一实施方式的图7对应的图。本实施方式中的控制装置50在检测温度Tm的变化率△Tm(上升率)超过了对应的设定值△Ts的情况下，利用预混合燃料比例控制电路50b执行预混合燃料比例控制。检测温度△Tm最大的情况是在预混合室42f中形成有火焰的情况，在本实施方式中，检测由于变化率(上升率)△Tm超过了设定值Ts而在预混合室42f形成火焰的情况，执行预混合燃料比例控制。预混合燃料比例控制自身与第一实施方式相同。
另外，若火焰消失停止，则检测温度Tm开始逐渐下降，变化率△Tm(下降率)也逐渐下降。本实施方式的控制装置50等待从这期间的变化率△Tm(下降率)低于设定值△Ts时经过设定时间△t3，利用复位控制电路50c执行使预混合燃料比例返回的复位动作。
关于其他方面，本实施方式与第一实施方式相同。即使这样以检测温度Tm的变化率为基础，也能实现预混合燃料比例控制。
<第五实施方式>
图14A是表示本发明的第五实施方式的燃气轮机燃烧器的预混合燃料比例控制中的燃料发热量与增益设定的关系的特性图，图14B是表示预混合燃料比例的下降量(修正量)与燃气轮机负荷的关系的特性图。图14B是与图9B对应的图。在本实施方式中，以伴随由热量计44(图1)计测出的预混合燃料的卡路里(燃料发热量)的上升，增大伴随预混合燃料比例控制的第一至第五燃料流量调节阀21A-21E的控制量的方式构成控制装置50。具体地说，在修正值计算电路50a中存储规定了图14A所示那样的卡路里和增益设定的关系的数据。在本实施方式中，与第二实施方式相同，根据燃气轮机负荷计算预混合燃料比例的下降量(阀开度的修正量)，但通过所算出的预混合燃料比例的下降量(阀开度的修正量)乘以与卡路里相应的增益进一步进行修正。在本实施方式中，线形地设定燃料的卡路里与增益的关系，但不需要线形地设定关系。
卡路里预先设定有基准值(基准发热量)，在所计测的卡路里为基准值的情况下，增益设定为1。在增益＝1的情况下，基于与燃气轮机负荷相应的预混合燃料比例的下降量(图14B的实线上的值)计算阀开度的修正值。在所计测的卡路里比基准值大的情况下，如图14A所示，增益设定为与卡路里相应的大小的正的值。在该情况下，预混合燃料比例的下降量通过乘以增益而在增加方向上进行修正，基于修正后的预混合燃料比例的下降量(图14B的单点划线上的值)计算阀开度的修正值。相反，在所计测的卡路里比基准值小的情况下，如图14A所示，将增益设定为与卡路里相应的大小的负的值。在该情况下，预混合燃料比例的下降量通过乘以增益而在减小方向上进行修正，基于修正后的预混合燃料比例的下降量(图14B的虚线上的值)计算阀开度的修正值。
关于其他方面，本实施方式与第二实施方式相同，得到与该实施方式相同的效果。除此之外，在本实施方式中，具有能与燃料的卡路里的增减灵活地对应而实现适当的预混合燃料比例控制的优点。例如，在燃料的卡路里意外地增加的情况下，更大地减少预混合燃料的流量而能可靠地使预混合室42f灭火。另外，在卡路里下降了的情况下，通过抑制预混合燃料的流量减少幅度，能抑制燃烧状态的变动或NOX排出量的暂时的增加。
<第六实施方式>
图15A是表示本发明的第六实施方式的燃气轮机燃烧器的预混合燃料比例控制中的燃料的氢浓度和增益设定的关系的特性图，图15B是表示预混合燃料比例的下降量(修正量)和燃气轮机负荷的关系的特性图。在本实施方式中，以伴随由浓度计45(图1)计测的预混合燃料的氢浓度的上升，增大伴随预混合燃料比例控制的第一至第五燃料流量调节阀21A-21E的控制量的方式构成控制装置50。具体地说，在修正值计算电路50a中存储规定了图15A所示那样的氢浓度和增益设定的关系的数据。在本实施方式中，与第二实施方式相同，根据燃气轮机负荷计算预混合燃料比例的下降量(阀开度的修正量)，通过所计算的预混合燃料比例的下降量(阀开度的修正量)乘以与氢浓度相应的增益进一步进行修正。在本实施方式中，将燃料的氢浓度与增益的关系设定为线形，但不需要将关系设定为线形。总之，除了不是根据燃料的卡路里而是根据氢浓度设定增益这方面，本实施方式与第五实施方式相同。
以与第五实施方式相同的要领对氢浓度预先设定有基准值(基准氢浓度)，在所计测的氢浓度为基准值的情况下，增益设定为1。在增益＝1的情况下，基于与燃气轮机负荷相应的预混合燃料比例的下降量(图15B的实线上的值)计算阀开度的修正值。在所计测的氢浓度比基准值大的情况下，如图15A所示，将增益设定为与氢浓度相应的大小的正值。在该情况下，通过预混合燃料比例的下降量乘以增益，在增加方向上进行修正，基于修正后的预混合燃料比例的下降量(图15B的单点划线上的值)计算阀开度的修正值。相反，在所计测的氢浓度比基准值小的情况下，如图15A所示，将增益设定为与氢浓度相应的大小的负值。在该情况下，预混合燃料比例的下降量通过乘以增益在减小方向上进行修正，基于修正后的预混合燃料比例的下降量(图15B的虚线上的值)计算阀开度的修正值。
在本实施方式中，除了得到与第二实施方式相同的效果，具有能与燃料的氢浓度的增减灵活地对应并实现适当的预混合燃料比例控制的优点。例如，在燃料的氢浓度意外地增加的情况下，能更大地减小预混合燃料的流量并可靠地对预混合室42f进行灭火。另外，在氢浓度下降了的情况下，通过抑制预混合燃料的流量减少幅度，能抑制燃烧状态的变动或NOX排出量的暂时的增加。
<第七实施方式>
图16是表示本发明的第七实施方式的燃烧嘴的金属温度、预混合燃料比例、燃料流量以及发电量的特性图，是与第一实施方式的图7对应的图。在第六实施方式中，使从检测到任一个预混合室42f中的火焰的形成向部分燃烧嘴42A-42D的燃料流量相同地减少并使预混合燃料比例下降，相对于此，在本实施方式中只减少相对于产生火焰的部分燃烧嘴的燃料流量。
在本实施方式中，多个温度计42e是必须的，关于多个部分燃烧嘴42A-42D的各个，至少在一张隔壁42d上各设置一个温度计42e。尤其在本实施方式中，相对于在周向上具有12张的隔壁42d每隔一张而在共计六张隔壁42d上设置温度计42e。即，温度计42e是六个。
控制装置50在由任一个以上的温度计42e检测到的检测温度Tm超过了设定值Ts的情况下，判断检测到了火焰的部分燃烧嘴，减少对应的预混合燃料流量调整阀的开度，使该部分燃烧嘴的预混合燃料比例下降。在推断产生火焰的部分燃烧嘴为一个的情况下，控制一个预混合燃料流量调整阀的开度，在为多个的情况下，控制多个预混合燃料流量调整阀的开度。同样，伴随预混合燃料的流量减少使扩散燃料流量调整阀的开度增加，增加扩散燃料的流量而维持相对于燃烧嘴5的供给燃料的总量。除了预混合燃料比例控制的对象为部分燃烧嘴单位这方面，利用控制装置50进行的控制顺序自身与第一实施方式为相同的要领。
例如，在输出了超过设定值Ts的检测温度Tm的温度计42e属于部分燃烧嘴42A的情况下，如图16所示，使与该温度计42e所属的部分燃烧嘴42A对应的第二燃料流量调整阀21B的开度下降。在此期间，维持与其他部分燃烧嘴42B-42D对应的第三至第五燃料流量调整阀21C-21E的开度。同时，以向燃烧嘴5供给的燃料流量的总量不变的方式与预混合燃料的流量减少量相应地提高第一燃料流量调整阀21A的开度。
关于其他方面，本实施方式除了得到与第一实施方式相同的效果之外，将预混合燃料比例的控制限定在必要部位，关于不需要使预混合燃料比例下降的部分燃烧嘴能维持燃烧状态。由此，能抑制燃烧状态的变化或NOX排出量的暂时的增加。
另外，在设于对邻接的部分燃烧嘴进行分隔的隔壁42d的温度计42e的检测温度Tm上升了的情况下，无法只利用该检测温度Tm推断在哪一部分的部分燃烧嘴产生了火焰。但是，能通过与其他温度计42e的检测温度Tm的组合特定推断了火焰产生的部分燃烧嘴。在每隔一张隔壁42d设置温度计42e的情况下，能确保推断火焰产生的部分燃烧嘴的一定的特定精度，另外，与设置于全隔壁42d的情况相比，温度计42e的数量只需一半是优点。
<变形例>
若在预混合室42f产生火焰，则流体振动(压力波)变大。例如通过在预混合器设置压力计并检测该流体振动，与只利用检测温度Tm检测火焰产生的情况相比，能期待火焰的检测精度的提高。另外，上述各实施方式能适当组合。例如，在第一至第六实施方式中，能分别组合第七实施方式而以部分燃烧嘴单位控制预混合燃料比例。另外，也考虑组合第五及第六实施方式，将燃料的卡路里和氢浓度的两个作为基础修正预混合燃料比例的控制量的例子。另外，也考虑将第四实施方式应用于其他实施方式并代替检测温度Tm而以变化率△Tm执行预混合燃料比例控制以及复位控制的例子。

Claims (11)

1.一种燃气轮机燃烧器，其具备扩散燃烧方式的扩散燃烧嘴、设于上述扩散燃烧嘴的扩散燃料系统的扩散燃料流量调整阀、预混合燃烧方式的预混合燃烧嘴、设于上述预混合燃烧嘴的预混合燃料系统的至少一个预混合燃料流量调整阀、在上述扩散燃烧嘴以及上述预混合燃烧嘴的燃料喷射方向的下游侧形成燃烧室的燃烧器内衬、控制上述扩散燃料流量调整阀以及上述预混合燃料流量调整阀的控制装置，该燃气轮机燃烧器的特征在于，
上述预混合燃烧嘴具备：
包围上述扩散燃烧嘴的内筒；
包围上述内筒的外筒；
将上述内筒以及上述外筒之间的圆筒状的空间分隔为在圆周方向上排列的多个预混合室的多个隔壁；
与上述预混合燃料系统连接并向对应的预混合室喷射预混合燃料的多个预混合燃料喷嘴；以及
埋入上述隔壁而设置的至少一个温度计，
在上述温度计的检测值或其上升率超过了对应的设定值的情况下，上述控制装置以向上述扩散燃烧嘴以及上述预混合燃烧嘴供给的燃料流量的总量不变的方式执行使上述预混合燃料流量调整阀的开度下降并提高上述扩散燃料流量调整阀的开度的预混合燃料比例控制。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述温度计以计测部在上述预混合燃料喷嘴的燃料喷射方向位于上述隔壁的上述燃烧室侧的端部与上述预混合燃料喷嘴的燃料喷出口的中间的方式设置于上述隔壁。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
相对于上述预混合燃烧嘴在上述燃烧室侧具备火焰稳定器，
上述隔壁是与上述燃烧室的中心轴平行的平板状的部件。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
在执行上述预混合燃料比例控制后，若从上述温度计的检测值低于上述设定值经过了设定时间，则上述控制装置执行使上述预混合燃料流量调整阀以及上述扩散燃料流量调整阀的开度返回执行上述预混合燃料比例控制前的值的复位控制。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述控制装置构成为，伴随燃气轮机的负荷的上升，增大伴随上述预混合燃料比例控制的上述扩散燃料流量调整阀以及上述预混合燃料流量调整阀的控制量。
6.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
作为上述设定值设定大小不同的多个值，与各值对应地设定上述扩散燃料流量调整阀以及上述预混合燃料流量调整阀的控制量，利用上述控制装置阶段性地执行上述预混合燃料比例控制。
7.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
设置有计测预混合燃料的卡路里的热量计，
上述控制装置构成为，伴随由上述热量计计测的预混合燃料的卡路里的上升，增大伴随上述预混合燃料比例控制的上述扩散燃料流量调整阀以及上述预混合燃料流量调整阀的控制量。
8.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
设置有计测预混合燃料的氢浓度的浓度计，
上述控制装置构成为，伴随由上述浓度计计测的预混合燃料的氢浓度的上升，增大伴随上述预混合燃料比例控制的上述扩散燃料流量调整阀以及上述预混合燃料流量调整阀的控制量。
9.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，
上述预混合燃烧嘴被划分为多个部分燃烧嘴，该多个部分燃烧嘴至少包括一组上述预混合室以及上述预混合燃料喷嘴，以包围上述扩散燃烧嘴的方式在圆周方向上排列，
设置有多个上述温度计，关于上述多个部分燃烧嘴的各个至少设置于一张隔壁，
在任一个以上的温度计的检测值超过了上述设定值的情况下，上述控制装置使与输出了超过上述设定值的检测值的温度计所属的至少一个部分燃烧嘴对应的上述预混合燃料流量调整阀的开度下降，并且，维持与其他部分燃烧嘴对应的上述预混合燃料流量调整阀的开度，以供给到上述扩散燃烧嘴以及上述预混合燃烧嘴的燃料流量的总量不变的方式提高上述扩散燃料流量调整阀的开度。
10.一种燃气轮机，其特征在于，
具备：
使燃料与由压缩机压缩了的空气一起燃烧的权利要求1所述的燃气轮机燃烧器；以及
由在上述燃气轮机燃烧器中生成的燃烧气体驱动的涡轮机。
11.一种燃气轮机燃烧器的控制方法，该燃气轮机燃烧器具备扩散燃烧方式的扩散燃烧嘴、设于上述扩散燃烧嘴的扩散燃料系统的扩散燃料流量调整阀、预混合燃烧方式的预混合燃烧嘴、设于上述预混合燃烧嘴的预混合燃料系统的至少一个预混合燃料流量调整阀、设置于上述扩散燃烧嘴以及上述预混合燃烧嘴的燃料喷射方向的下游侧的燃烧室，该燃气轮机燃烧器的控制方法的特征在于，
上述预混合燃烧嘴包括：
包围上述扩散燃烧嘴的内筒；
包围上述内筒的外筒；
将上述内筒以及上述外筒之间的圆筒状的空间分隔为在圆周方向上排列的多个预混合室的多个隔壁；
与上述预混合燃料系统连接并向对应的预混合室喷射预混合燃料的多个预混合燃料喷嘴；以及
埋入上述隔壁而设置的至少一个温度计，
在上述温度计的检测值或其上升率超过了对应的设定值的情况下，以向上述扩散燃烧嘴以及上述预混合燃烧嘴供给的燃料流量的总量不变的方式使上述预混合燃料流量调整阀的开度下降并提高上述扩散燃料流量调整阀的开度。
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