JP2011226651A - ガスタービンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒が劣化しても安定した燃焼と良好な排ガス性能を維持できるガスタービンの制御装置を提供する。
【解決手段】圧縮機１からの圧縮空気ＣＡとメイン燃料ＭＦを予混合させて、その混合ガスを触媒により燃焼させてタービン３に供給する燃焼装置２を備え、この燃焼装置２が、触媒を担持した触媒燃焼部２１と、その上流側で圧縮空気ＣＡに予熱用燃料ＰＦを供給して燃焼させるプリバーナ７とを有するガスタービンの制御装置６であって、新品時の触媒燃焼部の入口温度と出口温度の差を初期値Ｄとして記憶した記憶手段６ｃと、運転時の触媒燃焼部２１の入口温度ｔ１と出口温度ｔ２の差ｄと初期値Ｄとの経年差Δｄに基づいて、プリバーナ７への燃料供給量を制御するプリバーナ燃料制御手段６ａとを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧縮機からの圧縮空気と天然ガスなどの燃料を予め混合させたものを触媒により燃焼させてタービンに供給する触媒燃焼器を備えたガスタービンの制御装置に関するものである。

触媒の上流にプリバーナおよび予混合部が配置され、下流に気相燃焼部が設けられた触媒燃焼ガスタービンでは、触媒の経年劣化により触媒燃焼での温度上昇が少なくなると、気相燃焼部で高温（約１３００℃）となる領域が少なくなり、燃焼状態が悪化する。燃焼状態が悪化すると、排気ガス中のＣＯ濃度の上昇を招き、規定される排ガス性能を維持することができなくなることが懸念される。これに対し、触媒の圧力損失に基づいて触媒の劣化を推測し、空気と燃料の供給量を調整して、排ガス性能の維持を図っているものがある（例えば、特許文献１）。

特開平５−２０３１５１号公報

しかしながら、特許文献１では、触媒の劣化に応じて空気と燃料を調整した後、触媒が高温に回復しても対応手段がないので、触媒や燃焼器が焼損する恐れがある。また、気相燃焼部において燃焼ガスが１５００℃以上となって排ガスＮＯｘが急増しても対応手段がないので、規定の排ガス性能を維持するのが難しい。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、触媒が劣化しても安定した燃焼と良好な排ガス性能を維持できるガスタービンの制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービンの制御装置は、圧縮機からの圧縮空気と燃料を予め混合させたものを触媒により燃焼させてタービンに供給する燃焼装置を備え、この燃焼装置が、触媒を担持した触媒燃焼部と、その上流側で前記圧縮空気に予熱用燃料を供給して燃焼させるプリバーナとを有するガスタービンの制御装置であって、新品時の触媒燃焼部の入口温度と出口温度の差を初期値として記憶した記憶手段と、運転時の触媒燃焼部の入口温度と出口温度の差と前記初期値との経年差に基づいて、前記プリバーナへの燃料供給量を制御するプリバーナ燃料制御手段とを備えている。

この構成によれば、前記経年差により触媒の経年劣化を判定することができる。つまり、触媒が劣化すると触媒出口温度が変化するから、触媒燃焼部の入口温度と出口温度の差が新品時とは変化する。この変化分が触媒の劣化分に相当するので、前記プリバーナ燃料制御手段でプリバーナへの燃料供給量を制御することにより、この触媒の劣化分だけ触媒燃焼部の入口温度を変化させることで、新品と同等の安定した燃焼と良好な排ガス性能を維持することができる。

本発明において、前記プリバーナ燃料制御手段は、前記経年差に相当する分だけ前記触媒燃焼部の入口温度を上昇させるように前記プリバーナへの燃料供給量を制御することが好ましい。触媒が劣化して触媒出口温度が低くなると、触媒の入口温度と出口温度の差が新品時よりも小さくなり、この小さくなった分が触媒の劣化分に相当する。この構成によれば、前記プリバーナ燃料制御手段でプリバーナへの燃料供給量を制御することにより、この触媒の劣化分だけ触媒燃焼部の入口温度を上昇させることで、新品と同等の安定した燃焼と良好な排ガス性能を維持することができる。

本発明において、さらに、前記触媒燃焼部に流入する前記圧縮空気の一部分を、前記触媒燃焼部をバイパスして触媒燃焼部の下流側に導出させるバイパス通路と、前記バイパス通路の開度を調節するバイパス制御弁とを備え、前記プリバーナ燃料制御手段によって、前記経年差の増大に応じて前記バイパス制御弁の開度が大きくなるように制御されることが好ましい。この構成によれば、経年差が増大した場合、例えば、経年劣化により触媒出口温度が低下した場合に、バイパス制御弁の開度を大きくして触媒燃焼器の下流側に導く圧縮空気を増やすことで、触媒の劣化分に見合うように触媒内の空燃比が下がる。これにより、燃料リッチとなって触媒燃焼部での燃焼が促進され、安定した燃焼と良好な排ガス性能を維持することができる。

バイパス制御弁を備える場合、さらに、前記触媒燃焼部へのメイン燃料を減少させる負荷下げ時に前記触媒燃焼部の出口温度が所定範囲内となるように、前記バイパス制御弁の開度を大きくする負荷下げ制御手段を備えることが好ましい。負荷下げ時は、メイン燃料の減少により、触媒での反応が急激に低下して触媒燃焼部の出口の温度上昇が少なくなり過ぎて気相燃焼部でＣＯが増大する等、燃焼状態が悪化することがある。これに対し、上記構成によれば、バイパス制御弁の開度を大きくして触媒燃焼部をバイパスする空気量を増やすことで、触媒燃焼部を通って気相燃焼部に達するガスの空燃比が下がる。その結果、気相燃焼部での燃焼状態が安定化する。

バイパス制御弁を備える場合、さらに、前記触媒燃焼部へのメイン燃料を増加させる負荷上げ時に前記触媒燃焼部の出口温度が所定範囲内となるように、前記バイパス制御弁の開度を小さくする負荷上げ制御手段を備えることが好ましい。負荷上げ時は、触媒燃焼部での温度が高くなり過ぎて触媒自体が持つ耐熱温度を超える恐れがあるが、この構成によれば、触媒出口温度の上昇を抑制すべくプリバーナ燃料制御手段が作動して触媒入口温度を低下させる一方で、バイパス制御弁の開度を小さくして触媒燃焼部をバイパスする空気量を減らすことで触媒燃焼部内の空燃比が上がる（燃料リーン）。その結果、触媒が焼損するのを効果的に防止できる。

本発明に係るガスタービンの制御装置によれば、前記経年差により触媒の経年劣化を判定することができる。つまり、触媒が劣化すると触媒出口温度が変化するから、触媒の入口温度と出口温度の差が新品時とは変化する。この変化分が触媒の劣化分に相当するので、前記プリバーナ燃料制御手段でプリバーナへの燃料供給量を制御することにより、この触媒の劣化分だけ触媒入口温度を変化させることで、新品と同等の安定した燃焼と良好な排ガス性能を維持することができる。

本発明の第１実施形態に係る制御装置を備えたガスタービンエンジンの構成を示すブロック図である。 図１の燃焼装置の要部を拡大した図である。 同燃焼装置の制御フロー図である。 新品の触媒と劣化した触媒の出入口温度の差を示すグラフである。 同触媒燃焼器内における空気の温度変化を示す概念図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るエンジン制御装置を備えた触媒燃焼ガスタービンエンジンの構成を示すブロック図である。図１に示すガスタービンエンジンは、空気Ａを吸入して圧縮する圧縮機１と、触媒燃焼部２１を有し圧縮機１で圧縮された圧縮空気ＣＡに燃料を供給して触媒燃焼部２１で燃焼させる燃焼装置２と、この燃焼装置２で発生させた燃焼ガスＧにより回転駆動されるタービン３とを備え、このタービン３の回転により、タービン３に回転軸４で連結されている圧縮機１と、回転負荷である例えば発電機５とが駆動されるようになっている。燃焼ガスＧはタービン３を通って排ガスとして外部に排出される。触媒燃焼部２１は、例えば、ハニカム構造の担持体にパラジウム、白金等の触媒を担持させたものである。

図２は、図１のガスタービンエンジンの縦断面図である。このガスタービンエンジンの本体は、空気吸入口ＩＮから空気Ａを吸入して圧縮する２段の遠心式圧縮機１と、燃焼装置２と、軸流式のタービン３とを有している。前記圧縮機１およびタービン３は、ハウジング１５内に収納され、このハウジング１５に燃焼装置２が連結されている。

燃焼装置２は、単缶型であって、タービン３のほぼ径方向に突出して設けられている。この燃焼装置２は、触媒燃焼部２１を内蔵した内筒１１と、この内筒１１の外周部および頂部を覆う外筒１２とを有し、内筒１１と外筒１２との間に、空気通路１３が形成されている。圧縮機１から供給された圧縮空気ＣＡは、空気通路１３内を燃焼装置２の頂部側に向かって流れ、内筒１１の上部に設けた流入口１７から燃焼装置２の中心側に向かって下方に導入される。

流入口１７の上流側には、圧縮空気ＣＡに予熱用燃料ＰＦを供給して燃焼させるプリバーナ７が配置され、プリバーナ７の下流側に、負荷に応じたメイン燃料ＭＦを触媒燃焼部２１に供給するメイン燃料噴射部２０が配置されている。このメイン燃料噴射部２０は燃焼装置２の周方向に等間隔に配置された複数のパイプに燃料噴射孔を設けたものである。内筒１１の内側には、前記触媒燃焼部２１と、触媒燃焼部２１の上流側の予混合部２２と、下流側の気相燃焼部２３とが設けられており、空気通路１３を通った圧縮空気ＣＡが、プリバーナ７により予熱された後、メイン燃料噴射部２０からメイン燃料ＭＦが供給され、予混合部２２で十分混合されて予混合気となる。この予混合気が触媒燃焼部２１に送られて触媒反応により燃焼し、さらに気相燃焼部２３で燃焼して、燃焼ガスＧとなる。予混合部２２に触媒入口温度ｔ１を検出する触媒入口温度計１４が、気相燃焼部２３に触媒出口温度ｔ２を検出する触媒出口温度計１６が、それぞれ設けられている。

燃焼装置２には、触媒燃焼部２１の上流側と下流側とを接続するバイパス通路８が設けられ、触媒燃焼部２１に流入する圧縮空気ＣＡの一部を、触媒燃焼部２１をバイパスして触媒燃焼部２１の下流側に導出させている。このバイパス通路８に、バイパス制御弁９が接続され、バイパス通路８の開度、すなわちバイパス通路８を流れる空気量が調節される。

ガスタービン制御装置６は、燃焼装置２での空燃比が大気汚染物質の排出抑制に適した適正範囲内の空燃比、つまり、燃焼装置２からの排ガス（燃焼ガスＧ）に含まれるＮＯｘ、ＣＯ等の大気汚染物質を抑制するのに最適な空燃比またはこれに近い空燃比となるように制御するもので、図１に示すように、プリバーナ燃料制御手段６ａ、負荷制御手段６ｂおよび記憶手段６ｃを備えている。記憶手段６ｃには、例えば、工場などで測定した新品時の触媒の入口温度と出口温度との差が、初期値Ｄとして記憶されている。なお、負荷制御手段６ｂはなくてもよい。

プリバーナ燃料制御手段６ａは、触媒入口温度ｔ１と出口温度ｔ２、および記憶手段６ｃに記憶された初期値Ｄから、プリバーナ７への予熱用燃料ＰＦを制御する予熱用燃料制御弁２５の開度およびバイパス制御弁９の開度を制御している。図３に示すように、バイパス通路８は上流端部８ａが外筒１２に接続されて空気通路１３に連通しており、下流端部８ｂが外筒１２を貫通して内筒１１に接続され、内筒１１内の燃焼ガスＧの通路に接続されている。

プリバーナ７は、保炎用のプライマリバーナ７ａと、予混合温度調整用、すなわち触媒入口温度ｔ１を調整するためのセカンダリバーナ７ｂとを有しており、プライマリバーナ７ａにプライマリ燃料ＰＦ１が供給され、セカンダリバーナ７ｂにセカンダリ燃料ＰＦ２が供給される。これらプライマリ燃料ＰＦ１、セカンダリ燃料ＰＦ２の供給量はそれぞれ、予熱用燃料制御弁２５を形成するプライマリ燃料制御弁２５ａ、セカンダリ燃料制御弁２５ｂにより調節される。メイン燃料噴射部２０に供給されるメイン燃料ＭＦの量はメイン燃料制御弁２７により調節される。予熱用燃料ＰＦはプライマリ燃料ＰＦ１とセカンダリ燃料ＰＦ２の合計である。

図１に示す負荷制御手段６ｂは、燃焼装置２へのメイン燃料ＭＦの供給量が変化する場合、すなわち負荷が変化した時に、触媒出口温度ｔ２が所定範囲内となるように、バイパス制御弁９の開度を調節する。

次に、図３を用いて、ガスタービン制御装置６の動作について説明する。
ガスタービンエンジンが長期間稼動すると、触媒燃焼部２１に含まれた触媒が次第に劣化して触媒入口温度ｔ１と出口温度ｔ２との差Ｄが小さくなっていく。プリバーナ燃料制御手段６ａは、触媒入口温度計１４により検出した触媒入口温度ｔ１と、触媒出口温度計１６により検出した触媒出口温度ｔ２とから、運転時の触媒入口温度と出口温度の差ｄ（＝ｔ２−ｔ１）を算出する。

つづいて、算出された温度差ｄと、記憶手段６ｃに記憶された新品時の温度差である初期値Ｄとを比較する。図４は、新品時の触媒と劣化した触媒における触媒入口温度と出口温度の差を示したグラフである。同図に示すように、劣化した触媒では、新品時の触媒に比べて触媒入口温度と出口温度の差が小さくなっている。この減少分Δｄ（＝Ｄ−ｄ）が触媒の劣化分に相当する。つまり、プリバーナ燃料制御手段６ａは、現在の温度差ｄと初期値Ｄとを比較することで、触媒の劣化分、すなわち経年差Δｄを算出する。

つぎに、図３のプリバーナ燃料制御手段６ａは、この経年差ａｄに基づいて、プリバーナ７への燃料供給量を制御する。つまり、劣化時の触媒燃焼部２１では、触媒出口温度ｔ２が経年差Δｄだけ低くなるから、気相燃焼部２３における燃焼状態が悪化することで燃焼ガスＧ中のＣＯ濃度が高くなる。そこで、セカンダリ燃料制御弁２５ｂの開度が大きくなるように制御し、プリバーナ７への燃料供給量を多くして予熱温度を高くし、経年差Δｄに相当する分だけ触媒入口温度ｔ１が高くなるようにする。その結果、触媒出口温度ｔ２も経年差Δｄに相当する分だけ高くなり、気相燃焼部２３における燃焼状態が良好となり、燃焼ガスG中のＣＯ濃度を適正範囲に抑えることができる。

さらに、プリバーナ燃料制御手段６ａは、経年差Δｄに応じてバイパス制御弁９の開度が大きくなるように制御する。バイパス制御弁９の開度を大きくすると、触媒燃焼部２１をバイパスする空気量が増えるから、触媒燃焼部２１に供給される空気量が減少する。すなわち、触媒燃焼部２１では、空気量が少なくなって空燃比が下がることになる。これにより、触媒燃焼部２１内は燃料リッチな状態となり、触媒燃焼が促進されて触媒出口温度ｔ２が上昇する。

負荷制御手段６ｂは、燃焼装置２へのメイン燃料ＭＦを増減させる負荷変更時に、触媒出口温度ｔ２が所定範囲内となるように、バイパス制御弁９の開度を変更させるものである。具体的には、燃焼装置２へのメイン燃料ＭＦを減少させる負荷下げ時には、メイン燃料ＭＦの減少に伴なって触媒反応が急激に低下して触媒出口温度ｔ２が急激に下がるおそれがある。そこで、バイパス制御弁９の開度を大きくして触媒燃焼部２１をバイパスする空気量を増やす（負荷下げ制御）。これにより、触媒燃焼部２１に供給される空気量が減少し、触媒燃焼部２１での空燃比が下がる（燃料リッチ）から、触媒燃焼が促進されて負荷下げ時の触媒出口温度ｔ２の急激な低下が抑制される。

燃焼装置２へのメイン燃料ＭＦを増加させる負荷上げ時には、逆に、触媒出口温度ｔ２が上がり過ぎないように、バイパス制御弁９の開度を小さくして触媒燃焼部２１をバイパスする空気量を減らす（負荷上げ制御）。これにより、触媒燃焼部２１に供給される空気量が増加し、触媒燃焼部２１での空燃比が上がる（燃料リーン）から、触媒燃焼が抑制されて、負荷上げ時に触媒出口温度ｔ２が上がり過ぎて触媒燃焼部２１を焼損するのを防ぐことができる。

次に図５を用いて、燃焼装置２の作用について説明する。同図における破線が新品時の触媒のデータで、点線が劣化時のデータ、実線は本実施形態のガスタービン制御装置６により補正された場合のデータを示している。また、温度Ｔは、ＮＯｘ発生温度を示す。

同図に示すように、燃焼装置２の空気通路１３に導入された圧縮空気ＣＡは、プリバーナ７による予混合燃焼により触媒反応できる温度まで予熱する。その後、メイン燃料ＭＦが噴射されて若干温度が下がり、内筒１１内の予混合部２２で予混合されて触媒燃焼部２１に送られる。

触媒燃焼部２１に送られた圧縮空気ＣＡは、触媒燃焼によって昇温された後、気相燃焼部２３に導かれ、気相燃焼によって急激に温度が上がる。気相燃焼部２３を出た燃焼ガスＧは、燃焼装置２から導出される。

破線で示す新品時のグラフと、点線で示す劣化時のグラフとを比較すると、劣化時には、触媒燃焼による温度上昇が十分でないから、触媒出口側での温度が低く、燃焼ガスＧとなるまでに時間を要している。これにより、気相燃焼部２３でＣＯの余分な発生が起こる。

次に、劣化したものを本実施形態のガスタービン制御装置６により補正したグラフ（実線で示す）をみると、プリバーナ７により予熱することで、触媒入口側の温度が高くなっている。これにより、触媒燃焼以降の温度変化は新品時とほぼ同じとなっている。その結果、気相燃焼部２３でＣＯの余分な発生を抑えることができる。

上記構成によれば、上述のように経年差△ｄを算出することにより触媒の経年劣化を判定することができる。つまり、触媒が劣化すると触媒出口温度ｔ２が低くなるから、触媒入口温度ｔ１と出口温度ｔ２の差ｄが初期値Ｄよりも小さくなり、この小さくなった分Δｄ（＝Ｄ−ｄ）が触媒の劣化分（経年差）に相当する。プリバーナ燃料制御手段６ａによって、セカンダリ燃料制御弁２５ｂの開度を大きくし、且つプリバーナ７への燃料供給量を制御することにより、経年差△ｄに相当する分だけ触媒入口温度ｔ１を上昇させて、新品時と同等の安定した燃焼と良好な排ガス性能を維持することができる。

また、経年差△ｄの増大に応じてバイパス制御弁９の開度を大きくしているので、触媒燃焼部２１をバイパスする空気が増えて、触媒燃焼部２１内の空燃比が下がる。これにより、燃料がリッチとなって触媒燃焼が促進されて、安定した燃焼と良好な排ガス性能を維持することができる。このように、プリバーナ７への燃料供給量の制御に、バイパス空気量を組み合わせることにより、一層きめ細かな制御を行うことができる。

負荷制御手段６ｂにより、燃焼装置２へのメイン燃料ＭＦを減少させる負荷下げ時に触媒出口温度ｔ２が所定範囲内となるように、バイパス制御弁９の開度を大きくしている。負荷下げ時は、メイン燃料ＭＦの減少により、触媒燃焼部２１での反応が急激に低下して触媒出口の温度上昇が少なくなり過ぎて気相燃焼部２３でＣＯが増大する等、燃焼状態が悪化することがあるが、前述のように、バイパス制御弁９の開度を大きくして触媒燃焼部２１をバイパスする空気量を増やすことで、触媒を通って気相燃焼部２３に達するガスの空燃比が下がる。その結果、燃料リッチとなって気相燃焼部２３での燃焼状態が安定化する。

さらに、負荷制御手段６ｂにより、触媒燃焼部２１へのメイン燃料ＭＦを増加させる負荷上げ時に触媒出口温度ｔ２が所定範囲内となるように、バイパス制御弁９の開度を小さくしている。負荷上げ時は、触媒での温度が高くなり過ぎて触媒自体が持つ耐熱温度を超える恐れがあるが、前述のように、触媒出口温度ｔ２の上昇を抑制すべくプリバーナ燃料制御手段７が作動して触媒入口温度ｔ１を低下する一方で、バイパス制御弁９の開度を小さくして触媒燃焼部２１をバイパスする空気量を減らすことで触媒燃焼部２１内の空燃比を上げる（燃料リーン）。その結果、触媒が焼損するのを効果的に防止できる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。たとえば、上記実施形態では、図１の発電機５を駆動するための一定回転数で運転されるガスタービンエンジンについて説明したが、エンジン負荷に応じて回転数が変化するガスタービンエンジンについても本発明を適用できる。また、燃焼器の形状について、単缶式に限られるものではなく、アニュラー形など他の形状による燃焼器にも本発明を適用できる。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ 圧縮機
２ 燃焼装置
３ タービン
６ ガスタービン制御装置
６ａ プリバーナ燃料制御手段
６ｂ 負荷制御手段
６ｃ 記憶手段
７ プリバーナ
８ バイパス通路
９ バイパス制御弁
２１ 触媒燃焼部
△ｄ 経年差
ＣＡ 圧縮空気
ｄ 運転時の触媒入口温度と出口温度の差（実測値）
Ｄ 新品時の触媒入口温度と出口温度の差（初期値）
ＭＦ メイン燃料
ＰＦ 予熱用燃料
ｔ１ 運転時の触媒入口温度
ｔ２ 運転時の触媒出口温度

Claims (5)

1. 圧縮機からの圧縮空気と燃料を予め混合させたものを触媒により燃焼させてタービンに供給する燃焼装置を備え、この燃焼装置が、触媒を担持した触媒燃焼部と、その上流側で前記圧縮空気に予熱用燃料を供給して燃焼させるプリバーナとを有するガスタービンの制御装置であって、
   新品時の触媒燃焼部の入口温度と出口温度の差を初期値として記憶した記憶手段と、
   運転時の触媒燃焼部の入口温度と出口温度の差と前記初期値との経年差に基づいて、前記プリバーナへの燃料供給量を制御するプリバーナ燃料制御手段と、
   を備えたガスタービンの制御装置。
2. 請求項１において、前記プリバーナ燃料制御手段は、前記経年差に相当する分だけ前記触媒燃焼部の入口温度を上昇させるように前記プリバーナへの燃料供給量を制御するガスタービンの制御装置。
3. 請求項１または２において、さらに、前記触媒燃焼部に流入する前記圧縮空気の一部分を、前記触媒燃焼部をバイパスして触媒燃焼部の下流側に導出させるバイパス通路と、前記バイパス通路の開度を調節するバイパス制御弁とを備え、前記プリバーナ燃料制御手段によって、前記経年差の増大に応じて前記バイパス制御弁の開度が大きくなるように制御されるガスタービンの制御装置。
4. 請求項３において、さらに、前記触媒燃焼部へのメイン燃料を減少させる負荷下げ時に前記触媒燃焼部の出口温度が所定範囲内となるように、前記バイパス制御弁の開度を大きくする負荷下げ制御手段を備えるガスタービンの制御装置。
5. 請求項３または４において、さらに、前記触媒燃焼部へのメイン燃料を増加させる負荷上げ時に前記触媒燃焼部の出口温度が所定範囲内となるように、前記バイパス制御弁の開度を小さくする負荷上げ制御手段を備えるガスタービンの制御装置。

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