JP2009236122A - ガスタービンの着火検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ホット起動やコールド起動といったガスタービン起動条件に関わらず、燃焼器の着火を検出することができるガスタービンの着火検出方法を提供する。
【解決手段】空気と燃料とを燃焼する燃焼器２と、燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービン３と、タービンの出口側での排気温度を検出する排気温度検出器２１と、前記タービンの回転数を検出する回転数検出器２３とを有するガスタービンの着火検出方法において、燃焼器の点火指令が出力された後の単位回転数あたりの排気温度変化率を演算し、点火指令の出力時点から所定期間における前記変化率が所定値以上である場合に、前記燃焼器が着火していると判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃焼器を複数個備えた多缶式ガスタービンの着火検出方法に関する。

火炎検出器を用いずに、ガスタービン燃焼器の始動時の着火ミスを検出する従来技術としては、例えば特開平５９−１５６３８号公報に記載の技術がある。この特開昭５９−１５６３８号公報では、始動から一定時間経過しても排気温度が低ければ着火ミスが生じたと判定して、燃料供給を停止するようにすることが記載されている。

特開昭５９−１５６３８号公報

ところで、ガスタービンは起動時の温度状態によってホット起動とコールド起動に大別される。コールド起動とホット起動では、着火直前の排気温度検出器の出力すなわち排気温度は大きく異なり、例えばコールド起動では大気温度程度、ホット起動では２００〜３００℃程度となる。このように、ホット起動とコールド起動では着火時の排気温度に大きな差異があるため、前述した特開昭５９−１５６３８号公報に記載された従来技術のような、ガスタービン排気の絶対温度によって着火ミスを判定するようにしたものでは、ホット起動とコールド起動の両方で着火を判定することは困難或いは不確実なものとなってしまう。

本発明の目的は、ホット起動やコールド起動といったガスタービン起動条件に関わらず、燃焼器の着火を検出することができるガスタービンの着火検出方法を提供することにある。

本発明は、ある着火以前の特定時間（例えば、点火指令時）の排気温度を基準として、着火後の排気温度からこの基準温度の差分をとり、その差の上昇量をみた場合、コールド起動でもホット起動においても着火確立の場合にはその差は上昇し、ある経過時間後に所定値以上となることに着目し、ある特定時間の排気温度を基準として、着火後の排気温度上昇量が所定値以上となった場合に着火が確立したと判断するものである。

具体的には、特定時以降における前記排気温度のガスタービンの回転数に対する変化量を演算し、その変化量が所定値以上である場合に燃焼器が着火していると判定するようにしたものである。

本発明によれば、ホット起動やコールド起動といったガスタービンの起動条件に関わらず、燃焼器の着火を確実に判定することができるガスタービンの着火検出方法を提供することが可能となる。

本発明の一実施例であるガスタービン要部構成ブロック図。 側流排気型ガスタービンの排気ダクト模式図。 軸流排気型ガスタービンの排気ダクト模式図。 多缶型ガスタービンの燃焼器の断面図。 着火時のガスタービン排気温度挙動例。 着火時ガスタービン排気温度変化量挙動例。 着火時の単位時間に対する排気温度変化率ΔＴ／ｄｔ算出説明図。 着火時の単位時間に対する排気温度変化率ΔＴ／ｄｔ挙動例。 着火時の単位回転数に対する排気温度変化率ΔＴ／ｄｎ算出説明図。 着火時の単位回転数に対する排気温度変化率ΔＴ／ｄｎ挙動例。

図１に本発明の一実施例であるガスタービン構成図を示す。図示のガスタービンは、燃料配管９を介して供給される燃料と、圧縮空気流路７を介して供給される空気を燃焼させる複数の燃焼器２（本実施例では６基、但し図１には１基だけ図示）と、燃焼器２で生成され燃焼ガス流路８を介して供給される燃焼ガスで回転駆動されるタービン３と、このタービン３でタービン軸６を介して回転駆動され圧縮空気流路７に圧縮空気を送り出す圧縮機１と、タービン３によってタービン軸６を介して回転駆動されて発電する発電機４と、タービン３駆動後の燃焼ガスが送り出される排ガス流路５と、燃焼器２に供給する燃料流量を制御する制御装置２８とによって構成されている。

また、本実施例のガスタービンは、排気ガス流路５の排気温度を検出する排気温度センサ２１と、タービン軸６の回転数を検出する回転数検出器２３と、発電機４の負荷を検出する負荷検出器２４と、燃料配管９に介装されて燃料流量を調整する燃料流量調整器２５を備えている。前述した符号２１，２３，２４で示す各種検出器（センサ）からの出力信号は、Ａ／Ｄ変換器２６ａ〜２６ｃによってデジタル信号に変換された後、制御装置２８に伝達される。制御装置２８では、各種検出器からの検出信号をもとに、燃料流量調整器２５の制御信号を出力する。制御装置２８からの出力信号は、Ｄ／Ａ変換器２７によってアナログ信号に変換されて、燃料流量調整器２５に伝達される。

なお、ガスタービンの排気温度を検出する排気温度センサ２１は、熱電対などの温度センサを用いた温度検出手段であり、排ガス流路中に円周上に複数設けて、タービン排ガス温度を複数点で測定するようにしている。排気温度センサ２１は、排気ガスの温度に応じたアナログ信号を出力し、その信号はＡ／Ｄ変換器２６ｃにて規定電圧のデジタル信号に変換され、制御装置２８に送信される。

回転数検出器２３は、タービンの回転数を検知するものである。例えば、圧縮機１の入口側のタービン軸６の一部をギア状に加工しておき、磁気センサ等を用いることによって、ギアの山と谷での磁気状態に応じたアナログ信号を出力するように構成される。その信号はＡ／Ｄ変換器２６ｂにより規定電圧のデジタル信号に変換され制御装置２８へ送られる。

また、本実施例では火炎の検出手段として、前述した符号２１，２３，２４で示す各種検出器（センサ）に加えて、火炎検出器２２を含んで構成するようにしても良い。このとき、火炎検出器２２は複数缶ある燃焼器の全てに設けるのではなく、全部の中から任意の個数（例えば本実施例では２個）に装着するようにしても良い。この火炎検出器２２からの出力信号は、Ａ／Ｄ変換器２６ｄを介して制御装置２８の入力信号として伝達される。また、火炎検出器２２は、複数の燃焼器の監視窓に取り付けられており、例えば光センサにより燃焼火炎の発する光の強さに応じた電流を出力する。そして、Ａ／Ｄ変換器２６ｄによって、火炎検出器２２からの出力電流が一定値以上であれば１、以下であれば０のデジタル値に変換され、得られたデジタル信号を制御装置２８に出力される。

制御装置２８は、前述した符号２１〜２４で示す各種検出器（センサ）からのデジタル信号を入力し、その信号を監視，演算して、燃料流量調整器２５への制御信号，警報装置への警報指令信号などをデジタル信号として出力する。

燃料流量調整器２５は、燃料配管９に取り付けられている。制御装置２８から出力されたデジタル信号は、Ｄ／Ａ変換器２７により燃料バルブ開度を調節するためのアナログ信号に変換される。燃料流量調整器２５は、このアナログ信号に基づいて燃料バルブ開度を調節して燃料流量を調整する。

次に、図２，図３を用いて排気ダクトの形状について説明する。図２は側流排気型ガスタービンの排気ダクト模式図、図３は軸流排気型ガスタービンの排気ダクト模式図である。

排気ダクトの形状は、ガスタービンのタイプによって、図２，図３の如く２種類に分類される。図２に示す排気ダクト１６ａは側流排気型と呼ばれるものであり、図示しない燃焼器２から導かれた燃焼ガス１４は、ノズル１２，ブレード１３を通過したあと、排ガス１５となって排ガス流路後方でタービン軸に対して垂直方向に曲げられる。排気温度センサ２１は排ガス流路後方（図示するものはダクト曲り部より後方）に配置され、センサ部はタービン軸方向に平行に取り付けられている。

また、図３に示す排気ダクト１６ｂは軸流排気型と呼ばれるものであり、ノズル１２，ブレード１３を通過して排出された排ガス１５は、そのままタービン軸方向に流れる。図示する排気ダクト１６ｂの場合には、排ガス流路後方にタービン軸と垂直方向に排気温度センサ２１のセンサ部が取り付けられている。

図４は、多缶式ガスタービンの燃焼器の断面図である。燃焼器２は、燃料と圧縮機１から送り出される圧縮空気を混合燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを発生させる装置である。発生した高温高圧の燃焼ガスのエネルギは、タービンによって回転エネルギへと変換される。

図４に示す例では、燃焼器２ａ〜２ｆは円形のケーシング１１内に、円周状にかつケーシング１１と同心円状に取り付けられており、各々の燃焼器２ａ〜２ｆは火炎伝播管１０ａ〜１０ｆによって隣接する燃焼器に連結されている。ガスタービンを起動する際には、一部の燃焼器２ａ，２ｆに取り付けた点火栓２９によりその燃焼器２ａ，２ｆを着火させる。燃焼器２ａに着火した火炎は、火炎伝播管１０ａにより隣接する燃焼器２ｂに伝播し、同様に燃焼器２ｆの火炎は火炎伝播管１０ｅにより隣接する燃焼器２ｅへ火炎伝播する。そして、燃焼器２ｂからは火炎伝播管１０ｂにより隣接する燃焼器２ｃへ、燃焼器２ｅからは火炎伝播管１０ｄにより燃焼器２ｄへと火炎伝播させていくことで、隣接する燃焼器に次々と火炎を伝播させ全缶を着火させる。

また、図４の例では点火栓２９を設置した燃焼器２ａ，２ｆとは異なる燃焼器２ｄ，２ｅに火炎検出器２２を取り付けている。この火炎検出器２２が火炎を検知することにより、全ての燃焼器が着火したものと判断する。この火炎検出器２２による火炎検知方法では、燃焼器２に火炎検出器２２の取り付けが必須となる。また、この燃焼器部は高温高圧であるため、火炎検出器２２はその雰囲気に対して耐久性が高いものでなくてはならない。また、この火炎検出器２２を冷却するための冷却装置（水冷ジャケット，空冷空気等）が必要となる場合がある。

そこで、本実施例では前述した火炎検出器２２を用いることなく、以下に示す方法により燃焼器の着火確立を検知するようにしている。

図５は、着火時におけるガスタービン排気温度の挙動例を示したものである。図中（Ａ）で示す時間に点火指令が出されたとして、コールド起動において着火が成功した場合、排気温度は実線３１ａに示すような挙動となる。着火が失敗した場合、一点破線３２ａのような挙動となる。一方、ホット起動においては、排気ダクトが十分に冷却されておらず排気ダクト内に温度の高いガスが滞留している。よって、着火開始時における排気温度指示値は既に高くなっているため、着火成功した場合は破線３３ａのように、また着火失敗の場合は二点破線３４ａのような挙動となる。図５に示すように、ガスタービンの起動条件により、着火開始時における排気温度の絶対値は大きく異なるため、排気温度絶対値により着火確立を判断することは困難である。

ここで、本実施例では点火指令前の特定時間（本実施例では、点火指令時（Ａ））での排気温度をＴＸ（Ａ），点火指令後のある特定時間での排気温度をＴＸとし、ＴＸ（Ａ）を基準とした排気温度変化量ＴＸ−ＴＸ（Ａ）を算出する。これにより、図５に示す各々の排気温度挙動の排気温度変化量は、図６に示すようになる。すなわち、コールド起動での着火成功時の排気温度変化量挙動は実線３１ｂ、着火失敗時は一点破線３２ｂのようになる。また、ホット起動時における成功時は破線３３ｂ、失敗時には二点破線３４ｂに示すような挙動となる。

このように、排気温度の変化をある基準からの変化量として見た場合、ガスタービンの起動条件等に関係なく、着火成功時には排気温度変化量は上昇し、着火失敗時には排気温度変化量は上昇することはない。そして、ある基準排気温度ＴＸ（Ａ）からの排気温度変化量を演算し、この変化量が図６に示すようにある点火時間内に所定値４１以上となった場合に着火確立と判断する。また、点火指令時から所定時間内に、基準排気温度に対する変化量が所定値４１以上とならなかった場合は、着火失敗と判断する。

また、符号３１ｂ，３３ｂが示すように、コールド起動とホット起動での着火成功時の排気温度変化量は、両者がほぼ同様の変化量にて推移している。このため、着火確立の基準とする排気温度変化量の所定値４１は、コールド起動とホット起動に共通したものとして設定することが可能となる。従って、着火に成功したか否かの基準値４１を、コールド起動とホット起動のそれぞれで設定する必要も無くすことが可能となる。この方法によれば、排気温度センサにより燃焼器の着火確立の有無を容易に判断することが可能となる。なお、排ガス温度の変化量が所定値４１に到達せず、着火失敗と判断された場合には、図１に示す燃料流量調整器２５により燃料流量を０とする。

次に、図７，図８を用いて、着火確立の判定手法の他の実施例を説明する。本実施例は、着火指令後に単位時間あたりの排気温度変化率をみて着火の判定を行うようにしたものである。

本実施例では、先ず図７に示すように着火後における排気温度の単位時間あたりの変化率ΔＴ／ｄｔを算出する。この排気温度変化率ΔＴ／ｄｔは、図８に示すように着火確立時には実線３５、着火失敗時には一点破線３６のような挙動となる。正常に着火した場合、点火指令直後の排気温度は瞬間的に急激に上昇するため、実線３５のように排気温度変化率ΔＴ／ｄｔも急激に上昇するが、その後は排気温度が上昇しながらも温度変化率は徐々に低下していることを示している。一方、着火に失敗した場合には、当然ながら排気温度は上昇しないため、一点破線３６が示すように排気温度変化率ΔＴ／ｄｔが上昇することはない。

ここで、本実施例における着火確立の判定手法は、算出した単位時間あたりの排気温度変化率ΔＴ／ｄｔが、点火指令から所定時間以内に所定値４２以上となった場合に着火確立と判断するようにしたものである。もし、ある点火時間内に所定値４２へ到達しなかった場合は、着火失敗と判断して燃料流量調整器２５により燃料流量を０とする。

本実施例によれば、着火成功時には排気温度変化率ΔＴ／ｄｔは上昇し、着火失敗時には排気温度変化率ΔＴ／ｄｔが上昇することはないので、基準値との比較を行うことにより、ホット起動やコールド起動といった起動時のガスタービンの起動条件等に関係なく、燃焼器の着火を確実に検出することが可能となる。

次に、図９，図１０を用いて、燃焼器着火の判定手法の他の実施例を説明する。本実施例は、着火指令後にガスタービンの単位回転数あたりの排気温度変化率をみて着火の判定を行うようにしたものである。

図９に示すように、着火後におけるガスタービンの単位回転数あたりの排気温度変化率ΔＴ／ｄｎを算出する。この単位回転数あたりの排気温度変化率ΔＴ／ｄｎは、図１０に示すように、着火確立時には実線３７、着火失敗時には一点破線３８のような挙動となる。そして、本実施例の判定手法は、算出されたガスタービン単位回転数あたりの排気温度変化率ΔＴ／ｄｎが、点火指令から所定時間以内に所定値４３以上となった場合には着火確立と判断するようにしたものである。また、単位回転数あたりの排気温度変化率が点火指令から所定時間内に所定値４３以上とならなかった場合は、着火失敗と判断して、燃料流量調整器２５により燃料流量を０とする。

なお、機器に異常がない場合も着火失敗となる場合もあるが、ガスタービンを完全に停止させると次回起動までに時間を要することになる。そこで、本実施例では、上述した燃焼器着火の判定手法を用いて着火失敗と判定した時には、燃焼器に対して再度点火指令を出力して着火動作を繰り返す。そして、２回目の着火動作でも着火失敗と判定された場合には、機器に異常があると判断し、ガスタービン停止動作へと移行させる。これによりガスタービン運用信頼性を向上させることができる。

本実施例によれば、火炎検知器が設置されない場合においても、ガスタービン出口に設置されている複数の排気温度検出器により、信頼性の高い着火時の火炎検出方法を提供することができる。また、火炎検知器と組合せることにより、より信頼性の高い着火時の火炎検出方法を提供することが可能となる。

１…圧縮機、２…燃焼器、３…タービン、４…発電機、５…排ガス流路、６…タービン軸、７…空気流路、８…燃焼ガス流路、９…燃料配管、１０ａ〜１０ｆ…火炎伝播管、１１…ケーシング、１２…ノズル、１３…ブレード、１４…燃焼ガス，１５…排ガス、１６ａ，１６ｂ…排気ダクト、２１…排気温度センサ、２２…火炎検出器、２３…回転数検出器、２４…負荷検出器、２５…燃料流量調整器、２６ａ〜２６ｄ…Ａ／Ｄ変換器、２７…Ｄ／Ａ変換器、２８…制御装置、２９…点火栓。

Claims (5)

1. 空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンと、該タービンの出口側での排気温度を検出する排気温度検出器と、前記タービンの回転数を検出する回転数検出器とを有するガスタービンの着火検出方法において、
   前記燃焼器の点火指令が出力された後の単位回転数あたりの排気温度変化率を演算し、点火指令の出力時点から所定期間における前記変化率が所定値以上である場合に、前記燃焼器が着火していると判定することを特徴とするガスタービンの着火検出方法。
2. 空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンと、該タービンの出口側での排気温度を検出する排気温度検出器と、前記タービンの回転数を検出する回転数検出器とを有するガスタービンにおいて、
   前記燃焼器の点火指令が出力された後の単位回転数あたりの排気温度変化率を演算し、点火指令の出力時点から所定期間における前記変化率が所定値以上である場合に、前記燃焼器が着火していると判定する制御装置を備えたことを特徴とするガスタービン。
3. 前記制御装置は、前記燃焼器の着火失敗と判定した場合、前記燃焼器に供給する燃料の流量をゼロに制御するものであることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン。
4. 前記制御装置は、前記燃焼器の着火失敗と判定した場合、再度燃焼器の着火指令を出力し、更に２回目の着火に失敗したと判定した場合にはガスタービンを停止させるものであることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン。
5. 空気と燃料とを燃焼する燃焼器と、該燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンと、該タービンの出口側での排気温度を検出する排気温度検出器と、前記タービンの回転数を検出する回転数検出器とを有するガスタービンの着火検出方法において、
   前記燃焼器の点火指令が出力された後の単位回転数あたりの排気温度変化率を演算し、点火指令の出力時点から所定期間における前記変化率が所定値以下である場合に前記燃焼器の着火失敗と判定して、前記燃焼器に供給する燃料の流量をゼロに制御することを特徴とするガスタービンの制御方法。

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