JP2003278564A - ガスタービン装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フレームアウトが発生したことを迅速に検知
することができるガスタービン装置を提供する。 【解決手段】 混合気における空気と燃料との空燃比を
算出する空燃比算出部３１と、タービンの回転数を検出
する回転数検出部１２と、空燃比算出部３１により算出
された空燃比と回転数検出部１２により検出された回転
数に応じて変動する所定の補正値とを加算することによ
り略一定となる補正空燃比を算出する補正空燃比算出部
３４と、補正空燃比算出部３４により算出された補正空
燃比が予め設定された所定の基準空燃比を下回ったとき
はフレームアウトが発生したと判断するフレームアウト
判断部３３とを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン装置
に係り、特に、運転中にフレームアウトが発生したこと
を迅速に判断することができるガスタービン装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的なガスタービン装置は、回転軸を
介して回転自在に取り付けられたタービンと、燃焼ガス
を発生させるための燃焼器と、燃焼器への燃料供給量を
調節する燃料調節弁と、燃焼器に空気を圧送する空気圧
縮機などから基本的に構成される。

【０００３】上述の構成において、燃料調節弁により調
節された燃料および空気圧縮機により圧縮された空気
（以下、適宜、圧縮空気という）は燃焼器に供給され、
燃焼器にて圧縮空気と燃料との混合気が形成される。そ
して、燃焼器において混合気を燃焼させて燃焼ガスを発
生させ、この燃焼ガスがタービンに供給されることによ
りタービンが高速で回転するようになっている。また、
このようなガスタービン装置においては、一般に、ター
ビンの回転数や加速度を制御するフィードバック制御が
行われる。

【０００４】ところで、上述したガスタービン装置にお
いては、燃焼器に燃料を供給しながらも燃焼火炎が突然
消えてしまう、いわゆるフレームアウトという現象が起
こることがある。このフレームアウトが起こると、ガス
タービン装置が停止するのみならず、供給された燃料或
いは混合気がガスタービン装置内部に充満し、タービン
などの余熱により引火して爆発するおそれがあり、極め
て危険である。従って、フレームアウトが発生した場合
には、これを速やかに検知し、燃料の供給を停止させる
ことが極めて重要となる。

【０００５】フレームアウトの発生を判断する判断要素
として、混合気における空気と燃料との質量比（または
重量比）、即ち、空燃比（エア・フューエル・レシオ、
Ａ／Ｆともいう）が挙げられる。空燃比は、燃焼に供さ
れる空気と燃料との質量比、即ち、混合比であり、空気
の単位時間当たりの流量を燃料の単位時間当たりの流量
で除算することで得ることができる。なお、上述したよ
うに、空気は空気圧縮機により圧縮されて燃焼器に送ら
れ、この空気圧縮機はタービンによって駆動されるた
め、空気の流量はタービンの回転数に比例し、また、燃
料の流量は燃料調節弁の開度に比例するため、空燃比
は、タービンの回転数および燃料調節弁の開度から導く
ことができる。

【０００６】フレームアウトが発生すると、タービンへ
の燃焼ガスの供給が停止するためタービンの回転数（空
気の流量）は減少する。すると、減少した回転数を回復
させようとするフィードバック制御により燃料調節弁の
開度（燃料の流量）が大きくなるので、空燃比は低下す
ることになる。従って、フレームアウトが発生した場合
に想定される空燃比を、フレームアウトが発生したこと
を判断する基準空燃比として予め設定しておけば、この
基準空燃比より空燃比が下がった場合にフレームアウト
が発生したと判断することができる。このことに基づ
き、従来のガスタービン装置においては、空燃比の変化
を常時監視し、この空燃比が設定した基準空燃比を下回
ったことを検知したときにフレームアウトが発生したと
判断する判断方法が採用されている。

【０００７】空燃比の値を基準としてフレームアウトの
発生を判断する方法を採用した場合、設定した基準空燃
比の値によっては、実際にフレームアウトが起こってい
ないにもかかわらず、フレームアウトが起きたと誤認し
てしまうことがある。これは、空燃比の値は、正常な運
転中であっても、各局面での運転状況により変動するた
め、空燃比が基準空燃比より下回る場合も起こり得るか
らである。従って、この誤認を避けるためには、フレー
ムアウト発生の判断基準とすべき基準空燃比は、正常な
運転時において低下が予定される空燃比よりも更に低い
値に設定する必要がある。

【０００８】特に、正常な運転時において変動する空燃
比は、ガスタービン装置の起動時において最も低い値を
示す。図４は、従来のガスタービン装置の起動時におけ
る各数値が変動する様子を示したグラフ図である。通
常、ガスタービン装置を起動する際には起動用モータに
よりタービンが着火可能な回転数に維持されている間
（ｔ_１からｔ_２）、混合気への着火動作が行われる。

【０００９】図４に示すように、混合気の着火（ｔ_２）
以降は、タービンは、ある一定の燃料の供給量を受けて
昇速する。即ち、空燃比（Ａ／Ｆ）はタービンの回転数
（Number of Revolutions、ＮＲ）の上昇にほぼ比例
して上昇することになる。従って、図４に示すように、
着火直後（ｔ_２）の空燃比が最も低い値を示すことにな
る。このため、従来では、フレームアウト発生の判断基
準とすべき基準空燃比は、図４に示すように、この着火
直後の空燃比よりも低い値（Ｓ１）に設定する必要があ
った。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように、基準空燃比を低く設定すると、定常運転時
（定格回転時）の空燃比の値（図４のＡ／Ｆ１）と基準
空燃比の値（Ｓ１）との差が大きくなるため、実際にフ
レームアウトが発生した場合に、低下する空燃比が基準
空燃比（Ｓ１）に到達するまで時間がかかることにな
る。そうすると、実際のフレームアウトの発生時からフ
レームアウトが発生したと判断するまでのタイムラグが
大きくなってしまう。このことは、燃料の供給を停止さ
せるタイミングが遅れてしまうことを意味し、上述した
ような事故が起こるおそれがあり、極めて危険である。

【００１１】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたもので、運転中にフレームアウトが発生したことを
迅速に検知することができるガスタービン装置を提供す
ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述した問題を解決する
ために、本発明は、空気と燃料との混合気を燃焼させ、
該燃焼により発生した燃焼ガスをタービンに供給するこ
とにより前記タービンを回転駆動するガスタービン装置
であって、混合気における空気と燃料との空燃比を算出
する空燃比算出部と、前記タービンの回転数を検出する
回転数検出部と、前記空燃比算出部により算出された空
燃比と前記回転数検出部により検出された回転数に応じ
て変動する所定の補正値とを加算することにより略一定
となる補正空燃比を算出する補正空燃比算出部と、前記
補正空燃比算出部により算出された補正空燃比が予め設
定された所定の基準空燃比を下回ったときはフレームア
ウトが発生したと判断するフレームアウト判断部と、を
設けたことを特徴とする。

【００１３】この場合において、前記補正値は、前記回
転検出部により検出された回転数と所定の基準回転数と
の偏差に所定の定数を乗算して得られた値であることが
好ましい。また、前記タービンにより駆動されて燃焼器
に供給する空気を圧送する空気圧縮機を設け、前記空燃
比算出部は、前記回転数検出部により検出された前記タ
ービンの回転数と、燃料の供給量を調節する燃料調節弁
の開度とに基づいて空燃比を算出することが好ましい。

【００１４】本発明によれば、起動時において、上述し
た補正値を加算することにより得られる補正空燃比は略
一定となる値として算出される。従って、この補正空燃
比をフレームアウト発生の判断要素とすれば、フレーム
アウトが発生したことの基準となる基準空燃比を、この
補正空燃比のすぐ下の位置にまで引き上げて設定するこ
とができる。その結果、実際にフレームアウトが発生し
た場合に、低下する補正空燃比はすぐに基準空燃比に到
達することになるので、フレームアウトが発生したこと
を極めて迅速に検知することが可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るガスタービン
装置の一実施形態について図面を参照して説明する。図
１は本実施形態であるガスタービン装置の全体構成を示
す模式図である。

【００１６】図１に示すように、本実施形態におけるガ
スタービン装置は、タービン１と、混合気を燃焼させて
燃焼ガスを発生させる燃焼器２と、燃焼器２への燃料の
供給量を調節する燃料調節弁１９と、燃焼器２に空気を
圧送する空気圧縮機３とを備えている。また、ガスター
ビン装置は、タービン１を制御対象とするタービン制御
部１１とを備えている。

【００１７】タービン１は、流体を受けて回転するため
の複数の回転翼（図示せず）を有し、回転軸６を介して
ケーシング（図示せず）内に回転自在に支持されてい
る。空気圧縮機３は回転軸６を介してタービン１により
駆動されて空気を圧縮するように構成されている。この
空気圧縮機３は配管７を介して燃焼器２に接続されてお
り、空気圧縮機３により圧縮された空気は配管７を通っ
て燃焼器２に供給される。

【００１８】燃料調節弁１９は燃焼器２の上流側に配置
されており、図示しない燃料供給源から供給された燃料
は、この燃料調節弁１９を通過した後、燃焼器２に供給
される。燃料調節弁１９は、開度が可変に構成され、こ
の開度を操作することにより、燃焼器２への燃料の供給
量が調節されるようになっている。

【００１９】燃焼器２に供給された燃料および圧縮空気
は燃焼器２において混合気を形成し、燃焼器２にて混合
気が燃焼することで高温・高圧の燃焼ガスが発生する。
そして、この燃焼ガスがタービン１に供給されることに
よりタービン１が高速で回転する。なお、回転軸６の軸
端近傍には、タービン１の回転数を検出する回転数検出
部１２が設置されている。

【００２０】タービン制御部１１では、タービン１を制
御対象としたフィードバック制御が行われる。即ち、回
転数検出部１２や図示しない加速度算出部により得られ
たタービン１の現在の回転数や加速度をフィードバック
値とし、このフィードバック値と目標値との偏差を最小
とするための燃料供給量に応じた制御信号を演算する。
そして、演算された制御信号に応じて燃料調節弁１９の
開度を操作することで燃焼器２に供給される燃料の流量
を調節する。このようにして、燃焼器２への燃料供給量
を調節することにより、タービン１に供給される燃焼ガ
スの量が加減され、これにより、タービン１の回転数や
加速度の制御が行われる。

【００２１】次に、本実施形態が備えるフレームアウト
判断部について図２及び図３を参照して説明する。図２
（ａ）は本実施形態であるガスタービン装置が備えるフ
レームアウト判断部の入出力経路を示す模式図であり、
図２（ｂ）は本実施形態における補正空燃比の算出式を
示す図である。図３は本実施形態であるガスタービン装
置の起動時において各数値が変動する様子を示すグラフ
図である。

【００２２】補正空燃比算出部３４は、空燃比算出部３
１により算出された空燃比と回転数検出部１２により検
出された回転数に応じて変動する所定の補正値とを加算
することにより略一定となる補正空燃比を算出するよう
に構成される。ここで、所定の補正値は、回転検出部１
２により検出された回転数と所定の基準回転数との偏差
に所定の定数Ｚを乗算して得られた値である。

【００２３】補正空燃比算出部３４における補正空燃比
の算出式は、図２（ｂ）に示すように、回転数検出部１
２により検出されたタービン１の回転数（ＮＲ）と所定
の基準回転数との偏差を回転数偏差算出部２１にて求
め、この偏差に所定の定数Ｚを乗算して補正値（ＮＲ
α）を求める。さらに、この補正値（ＮＲα）と、空燃
比算出部３１により算出された空燃比（Ａ／Ｆ）とを加
算することで補正空燃比（Ａ／Ｆc）が得られる。

【００２４】このようにして算出された補正空燃比（Ａ
／Ｆc）は略一定の値となって求められる。この理由に
ついて、図３を参照して説明する。図３に示すように、
ガスタービン装置の起動時には、着火（ｔ_１）後のター
ビン１の回転数（ＮＲ）は、所定量の燃料供給量（燃料
調節弁１９の開度）を受けてほぼ一定に昇速する。即
ち、タービン１の回転数（ＮＲ）と空燃比（Ａ／Ｆ）と
はほぼ比例した動きになる。従って、所定の基準回転数
を適切に設定することにより、この基準回転数とタービ
ン１の回転数（ＮＲ）との偏差は、空燃比（Ａ／Ｆ）の
値に比例して変動する値となる。なお、設定すべき基準
回転数としては、無負荷運転時における定格回転数（Ｎ
Ｒ１）が好ましい。さらに、所定の定数Ｚを適切に設定
し、定数Ｚと偏差とを乗算することにより、低下する空
燃比（Ａ／Ｆ）の値を補うような補正値（ＮＲα）を求
めることができる。そして、この補正値（ＮＲα）を空
燃比（Ａ／Ｆ）に加算することにより、補正空燃比算出
部３４により算出される補正空燃比（Ａ／Ｆc）を略一
定とすることができる。

【００２５】上述のように算出された補正空燃比（Ａ／
Ｆc）は、次に、フレームアウト判断部３３に送られ
る。フレームアウト判断部３３は、補正空燃比算出部３
４から送られてくる補正空燃比の値に基づき、フレーム
アウトが発生したか否かを判断するように構成されてい
る。即ち、フレームアウト判断部３３には予め所定の基
準空燃比が設定されており、補正空燃比の値がこの基準
空燃比を下回った場合には、フレームアウト判断部３３
によりフレームアウトが発生したと判断される。

【００２６】上述したように、補正空燃比算出部３４に
より算出される補正空燃比は、ガスタービン装置の起動
時においても略一定となる値として得られる。従って、
フレームアウト判断部３３において設定される基準空燃
比は、図３に示すように、従来の値（Ｓ１）に比べ、補
正空燃比（Ａ／Ｆc）のすぐ下の値（Ｓ２）にまで引き
上げて設定することができる。この結果、実際にフレー
ムアウトが発生した場合には、低下する補正空燃比はす
ぐに基準空燃比に達することになるので、極めて迅速に
フレームアウトが発生したことを判断することが可能と
なる。

【００２７】フレームアウト判断部３３により、ガスタ
ービン装置の運転中、フレームアウトが発生したと判断
された場合には、フレームアウト判断部３３から緊急停
止弁３２を閉止すべき指令信号が出される。そして、緊
急停止弁３２が作動することで燃料供給源から燃焼器２
への燃料の供給が停止され、これにより、フレームアウ
トの発生に起因する事故を未然に防止することが可能と
なる。

【００２８】なお、本発明のガスタービン装置は、上述
の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要
旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ること
は勿論である。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
補正空燃比算出部により算出される補正空燃比は略一定
の値として得られる。従って、この補正空燃比をフレー
ムアウト発生の判断要素とすれば、フレームアウトが発
生したことの基準となる基準空燃比を、この補正空燃比
のすぐ下の位置にまで引き上げて設定することができ
る。その結果、実際にフレームアウトが発生した場合
に、低下する補正空燃比はすぐに基準空燃比に到達する
ことになるので、フレームアウトが発生したことを極め
て迅速に検知することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態であるガスタービン装置の
全体構成を示す模式図である。

【図２】図２（ａ）は本発明の一実施形態であるガスタ
ービン装置が備えるフレームアウト判断部の入出力経路
を示す模式図であり、図２（ｂ）は本発明の一実施形態
における補正空燃比の算出式を示す図である。

【図３】本発明の一実施形態であるガスタービン装置の
起動時における各数値が変動する様子を示すグラフ図で
ある。

【図４】従来のガスタービン装置の起動時における各数
値が変動する様子を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１ タービン ２ 燃焼器 ３ 空気圧縮機 ６ 回転軸 ７ 配管 １１ タービン制御部 １２ 回転数検出部 １９ 燃料調節弁 ２１ 回転数偏差算出部 ３１ 空燃比算出部 ３２ 緊急停止弁 ３３ フレームアウト判断部 ３４ 補正空燃比算出部

フロントページの続き (72)発明者 宮本 政博 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 片岡 匡史 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 古谷 泰 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気と燃料との混合気を燃焼させ、該燃
   焼により発生した燃焼ガスをタービンに供給することに
   より前記タービンを回転駆動するガスタービン装置であ
   って、 混合気における空気と燃料との空燃比を算出する空燃比
   算出部と、 前記タービンの回転数を検出する回転数検出部と、 前記空燃比算出部により算出された空燃比と前記回転数
   検出部により検出された回転数に応じて変動する所定の
   補正値とを加算することにより略一定となる補正空燃比
   を算出する補正空燃比算出部と、 前記補正空燃比算出部により算出された補正空燃比が予
   め設定された所定の基準空燃比を下回ったときはフレー
   ムアウトが発生したと判断するフレームアウト判断部
   と、を設けたことを特徴とするガスタービン装置。
2. 【請求項２】 前記補正値は、前記回転検出部により検
   出された回転数と所定の基準回転数との偏差に所定の定
   数を乗算して得られた値であることを特徴とする請求項
   １に記載のガスタービン装置。
3. 【請求項３】 前記タービンにより駆動されて燃焼器に
   供給する空気を圧送する空気圧縮機を設け、前記空燃比
   算出部は、前記回転数検出部により検出された前記ター
   ビンの回転数と、燃料の供給量を調節する燃料調節弁の
   開度とに基づいて空燃比を算出することを特徴とする請
   求項１又は２に記載のガスタービン装置。