JP2009079550A - Water or steam injection type gas turbine and its control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃焼器に水又は蒸気を噴射させる水又は蒸気噴射型ガスタービン及びその制御方法に係り、特に、窒素酸化物(以下NOxと云う)の低減用と出力増加用の2系統の水又は蒸気の噴射系統を有する水又は蒸気噴射型ガスタービン及びその制御方法に関する。 The present invention relates to a water or steam injection type gas turbine for injecting water or steam into a combustor and a control method therefor, and in particular, two systems for reducing nitrogen oxide (hereinafter referred to as NOx) and increasing power or The present invention relates to a water or steam injection type gas turbine having a steam injection system and a control method thereof.
一般に、水又は蒸気(以下単に蒸気と云う)の供給系統を有する水又は蒸気噴射型ガスタービンは、例えば特許文献1に既に提案されている。
In general, a water or steam injection type gas turbine having a supply system of water or steam (hereinafter simply referred to as steam) has already been proposed in
上記特許文献1に開示の水又は蒸気噴射型ガスタービンは、低NOx燃焼器を使用し、出力増加を行わずNOx低減のみを行う運転中には、蒸気の噴射を行わず、希薄予混合燃焼によってNOxの発生量を低減し、出力増加時のみ蒸気を噴射させている。このため、蒸気供給系統内に蒸気の供給がないときに、残存した蒸気が冷やされて水滴が溜まり易い。蒸気供給系統内に溜まった水滴は、出力増加時に蒸気噴射系統から供給される蒸気と共に燃焼器に流入するので、蒸気供給系統を使用する際には、出力増加用の蒸気噴射系統を暖管して水滴が燃焼器に流入しないようにする必要がある。
The water or steam injection type gas turbine disclosed in
しかしながら、蒸気供給系統への蒸気の供給開始前に暖管することで、蒸気噴射開始に遅れが生じ、また、バルブが微開の時は流量が適正に制御しにくいため、蒸気噴射直後の流量急増により出力が変動したりする問題があった。 However, the warm flow before the start of steam supply to the steam supply system causes a delay in the start of steam injection, and when the valve is slightly open, the flow rate is difficult to control properly. There was a problem that the output fluctuated due to rapid increase.
本発明の目的は、蒸気供給系統の不使用時の後に出力増加の指令があっても蒸気噴射開始に遅れが生じない水又は蒸気噴射型ガスタービンの制御方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a control method for a water or steam injection type gas turbine that does not cause a delay in the start of steam injection even if there is a command to increase output after the steam supply system is not used.
本発明は蒸気目的を達成するために、蒸気供給系統を、NOx低減用の蒸気噴射系統と、出力増加用の蒸気噴射系統との2系統で構成し、ガスタービンの出力増加の必要がない運転時に、NOx低減用の蒸気噴射系統に規定の蒸気を供給するとともに、出力増加用の蒸気噴射系統に定量の蒸気を供給することにより、使用開始直後の出力を変動させないようにしたのである。 In the present invention, in order to achieve the steam purpose, the steam supply system is configured by two systems of a steam injection system for NOx reduction and a steam injection system for output increase, and operation without increasing the output of the gas turbine is required. At the same time, the specified steam is supplied to the NOx reduction steam injection system and a constant amount of steam is supplied to the output increase steam injection system so that the output immediately after the start of use is not fluctuated.
このようにガスタービンの出力増加の必要がない運転時に、出力増加用の蒸気噴射系統に蒸気を供給することで、出力増加用の蒸気噴射系統暖管を行うことができるので水滴の発生を防止でき、かつ、出力増加の指令により出力増加用の蒸気噴射系統から蒸気を噴射する場合にも、そのまま蒸気の供給(噴射)量を増加させればよいので蒸気噴射開始の遅れがなくなり、出力の変動は回避される。 In this way, during operation that does not require an increase in the output of the gas turbine, steam can be supplied to the steam injection system for increasing the output, so that the steam injection system for increasing the output can be warmed to prevent the generation of water droplets. Even when the steam is injected from the steam injection system for increasing the output in response to the command to increase the output, the steam supply (injection) amount can be increased as it is, so there is no delay in starting the steam injection, Variations are avoided.
以上説明したように本発明によれば、蒸気供給系統の不使用時の後に出力増加の指令があっても蒸気噴射開始に遅れが生じない水又は蒸気噴射型ガスタービンの制御方法を得ることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a control method for water or a steam injection type gas turbine that does not cause a delay in the start of steam injection even if there is a command to increase output after the steam supply system is not used. it can.
以下本発明による水又は蒸気噴射型ガスタービンの制御方法の一実施の形態を図1〜図3に基づいて説明する。 An embodiment of a method for controlling a water or steam injection gas turbine according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
ガスタービン設備は、ガスタービン1と、このガスタービン1と同軸の空気圧縮機2と、燃焼器3とを有している。燃焼器3は、燃料供給系統4と蒸気供給系統5とが接続されている。燃料fの流量は、燃料制御弁6によって制御される。また蒸気供給系統5に供給された蒸気sはNOx低減用の蒸気噴射系統5Aと出力増加用の蒸気噴射系統5Bに分岐され、NOx低減用の蒸気噴射系統5Aの蒸気s1は蒸気制御弁7で、出力増加用の蒸気噴射系統5Bの蒸気s2は蒸気制御弁8によって夫々流量が制御されている。
The gas turbine equipment includes a
これら燃料制御弁6及び蒸気制御弁7,8は、制御装置9からの指令によって制御され、蒸気制御弁7,8は、蒸気流量計10,11での実流量との偏差によって開度が調整される。また、12はガスタービン1からの排気Gの温度を検出する温度センサである。これら蒸気流量計10,11及び温度センサ12からの検出信号は、燃料制御弁6及び蒸気制御弁7,8の開度を制御するために前記制御装置9に入力される。
The fuel control valve 6 and the
前記NOx低減用の蒸気噴射系統5Aは、燃焼器ヘッダ3Hに設けられた燃料ノズル4Nの近傍に設けられたヘッダノズル5ANに連結され、出力増加用の蒸気噴射系統5Bは、ガスタービンシェル1Sに設けられシェルノズル5BNに連結されている。
The NOx reduction
ヘッダノズル5ANからの蒸気s1の噴射は、燃焼に起因するNOxの発生を抑制してガスタービン1の排気G中のNOx量を低減するためであり、シェルノズル5BNからの蒸気s2の噴射は、大気温度が高く、ガスタービン1の排気温度制御によっても出力の増加が行えないときに、空気圧縮機2から吐出される圧縮空気に蒸気を噴射して燃焼温度の低減を図って排気Gの温度を低減させ、排気温度が低下した分、燃料fを増加させて出力を増加させるためである。
The injection of the steam s1 from the header nozzle 5AN is to suppress the generation of NOx due to combustion and reduce the amount of NOx in the exhaust G of the
次に、上記構成のガスタービン設備の低負荷運転、中負荷運転、高負荷運転について図3を併用して説明する。 Next, low load operation, medium load operation, and high load operation of the gas turbine equipment having the above configuration will be described with reference to FIG.
まず、低負荷運転とは、ガスタービン1が部分負荷時で、排気温度制御線に達してなく、燃料の増加が可能な領域であり、中負荷運転とは、排気温度制御線に到達し、排気温度の制限から燃料の増加(出力増加)ができなくなる領域である。ただし、蒸気噴射量を増加させることにより排気温度を低下させたときには燃料の増加(出力増加)が可能な領域である。また、高負荷運転とは、蒸気噴射量が上限値に達し、これ以上燃料の増加ができない領域で、ガスタービン1の最大出力時を云う。
First, the low load operation is a region in which the
そして、前記蒸気制御弁7は、制御装置9からの指令により、低負荷〜高負荷の全ての領域で出力に対する関数で制御されるもので、排気中のNOx低減用に最低限必要な蒸気噴射制御線SNに沿って制御され、制御装置9からの流量指令と蒸気流量計10での実流量との偏差をなくすように制御される。
The steam control valve 7 is controlled by a function for the output in all regions from low load to high load in accordance with a command from the control device 9, and the minimum steam injection required for reducing NOx in the exhaust gas. Control is performed along the control line SN so that the deviation between the flow rate command from the control device 9 and the actual flow rate in the
前記蒸気制御弁8は、制御装置9からの指令により、蒸気流量計10,11の合計流量を負荷に基づいて出力増加用に必要な最大の蒸気噴射制御線SP又は蒸気噴射量上限線SLに沿って制御される。低負荷運転時には最少流量に固定し、排気温度制御線に到達した中負荷運転時には一定割合で蒸気噴射制御線SPとなるように制御される。そして出力が増加して蒸気噴射量上限線SLに到達した後の高負荷運転時は、出力に対する関数で制御される。このように、蒸気制御弁8は、負荷上昇により蒸気噴射制御線SPから蒸気噴射量上限線SLに制御方法が変化する。
The
燃料制御弁6は、制御装置9からの指令により、低負荷運転時には目標出力と実出力との偏差を補うように制御され、中負荷〜高負荷運転時には、排気温度制御線に沿って燃焼温度が一定となるように、温度センサ12の計測値に基づいて制御される。この温度センサ12の計測値に基づいて燃料の流量制御を行う制御方式を排気温度制御と云う。
The fuel control valve 6 is controlled by a command from the control device 9 so as to compensate for the deviation between the target output and the actual output during the low load operation, and during the middle load to the high load operation, the combustion temperature along the exhaust temperature control line. Is controlled on the basis of the measured value of the
一方、ガスタービン1を排気温度で制御する目的は、ガスタービン起動時には排気温度上昇率を制御して高温ガス通路部に発生する熱応力を低減し、負荷運転中には排気温度上限値を制御することで燃焼温度の上限を制御するものである。負荷運転時に、空気圧縮機2の入口を全開とした場合のガスタービン出力TCは図示のように変化し、排気温度制御線に到達すると燃焼温度が一定に制御される。これは、制御装置9により温度センサ12の排気温度測定値に基づいて燃料制御弁6を制御することで燃焼温度の上限を一定にしている。
On the other hand, the purpose of controlling the
そして、ガスタービン1は、上限の燃焼温度を一定に運転しているときに、云い代えれば定格負荷運転時に効率が最大となる。したがって、上限燃焼温度を一定にしながら蒸気を噴射させれば、燃料消費量と蒸気噴射量を最小限に維持することができる。因みに、大気温度15℃でガスタービン1を起動し、負荷運転を開始すると、ガスタービン出力の増加とともに排気温度は上昇する。
The
そして、例えば570℃の排気温度上限値においてガスタービン1は、燃料の増加が制限され、それ以上の出力の増加ができなくなる。この間、蒸気噴射量に関しては、NOx低減用の蒸気噴射系統5Aは、蒸気制御弁7によって蒸気噴射制御線SNに沿うように蒸気s1が噴射され、出力増加用の蒸気噴射系統5Bは、蒸気s2の供給を停止させず、蒸気制御弁8によって例えば全開時の10%の開度をもって最少流量、云い代えれば出力を変動させない量の蒸気s2が噴射される。したがって、出力増加用の蒸気噴射系統5Bは水滴の発生はなくなる。
Then, for example, at the exhaust temperature upper limit value of 570 ° C., the
そして、排気温度制御線に到達し、これ以上の量の燃料fの噴射ができない状態において、設定(目標)出力が現状出力値以上である場合には、制御装置9により、出力増加用の蒸気噴射系統5Bの蒸気制御弁8の開度を大きくして蒸気噴射制御線SPに向けて蒸気s2を一定の割合で増加するように噴出してゆく。このとき、出力増加用の蒸気噴射系統5Bには既に最少流量の蒸気s2が供給されているので、ゼロからの蒸気s2の供給に比べて円滑に蒸気s2の供給が行えるので、蒸気噴射開始の遅れは解消される。
When the set (target) output is equal to or higher than the current output value in a state where the exhaust temperature control line is reached and the fuel f cannot be injected in an amount larger than this, the control device 9 causes the steam for increasing the output. towards the opening of the
この出力増加用の蒸気噴射系統5Bからの蒸気s2の噴射量の増加により、燃焼温度が低下して排気温度が低下するので、この排気温度を検出して制御装置9により燃料供給系統4の燃料制御弁6を開いて燃料fの噴射量を増加させ、出力を増加させることができる。蒸気s2の噴射量を一定の割合で増加させ、蒸気噴射制御線SPに達すると、それ以上の量の蒸気s2の噴射は出来なくなるので、これがガスタービンの最大出力となる。
The increase in the injection amount of the steam s2 from the
尚、蒸気噴射制御線SPを超えて蒸気s2の噴射量を増加させた場合、蒸気s2に対する燃料fの比率が小さくなるので、燃焼器3内での燃焼が不安定となり失火する可能性があるので、蒸気s2の噴射量を蒸気噴射制御線SPを超えないように制御している。 In the case where more than the steam injection control line S P increases the injection quantity of steam s2, since the ratio of the fuel f to the steam s2 becomes small, possibility of combustion in the combustor 3 to misfire becomes unstable because, the injection quantity of steam s2 controlled so as not to exceed the steam injection control line S P.
また、排気温度は、蒸気s2の噴射量によって変化するので、排気温度が上限値に到達していないときに、実際の燃焼温度が上限値を超えることがないように、排気温度上限値は制御装置9によって蒸気s2の最大噴射量に基づいて設定されている。 Further, since the exhaust temperature changes depending on the injection amount of the steam s2, the exhaust temperature upper limit value is controlled so that the actual combustion temperature does not exceed the upper limit value when the exhaust temperature has not reached the upper limit value. It is set by the device 9 based on the maximum injection amount of the steam s2.
このように、蒸気s2の噴射量の増加に伴い燃料fの噴射量を増加させて排気温度の補正を行うことで、ガスタービン1は、排気温度制御線上に沿って運転しながら出力を増加させることが可能となる。このことはガスタービン1の効率向上と蒸気s2の噴射量の低減に役立つ。
In this way, by correcting the exhaust temperature by increasing the injection amount of the fuel f as the injection amount of the steam s2 increases, the
以上説明したように本実施の形態によれば、排気中のNOx量が規定値以下になる最低限の蒸気噴射量を選択し、出力増加の必要がないときには、出力増加用の蒸気噴射系統5B内に、出力を変動させることがない量の蒸気s2を供給しておくことで、出力増加用の蒸気噴射系統5B内に水滴の発生を防止できるとともに、出力増加の指令があったときには、即、蒸気s2の供給(噴射)量を増加できるので、蒸気噴射開始の遅れがなくなって出力の変動を回避することができる。
As described above, according to the present embodiment, the minimum steam injection amount at which the NOx amount in the exhaust gas is equal to or less than the specified value is selected, and when there is no need to increase the output, the
ところ上記実施の形態では蒸気を供給することを説明したが、蒸気に代えて水を供給することでも上記実施の形態と同等の作用効果を奏することは云うまでもない。 However, in the above embodiment, it has been described that steam is supplied. However, it is needless to say that supplying water instead of steam can provide the same effects as the above embodiment.
1…ガスタービン、2…空気圧縮機、3…燃焼器、4…燃料供給系統、5…蒸気供給系統、5A…NOx低減用の蒸気噴射系統、5B…出力増加用の蒸気噴射系統、6…燃料制御弁、7,8…蒸気制御弁、9…制御装置、10,11…蒸気流量計、12…温度センサ。
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JPS6278437A (en) * | 1985-09-30 | 1987-04-10 | Hitachi Ltd | Exhaust temperature control system for gas turbine |
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