JP2012067764A - 2軸式ガスタービン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】IGV11が設けられた圧縮機7と、拡散パイロットバーナおよび複数の予混合バーナを含んで構成される燃焼器8と、圧縮機7とガスジェネレータ軸18を介して連結される高圧タービン9と、を備えた2軸式ガスタービン1において、負荷の大きさ及び大気温度に基づいて燃焼器8への燃料流量を算出して燃料制御弁14を制御する燃料制御部10aと、負荷の大きさ、大気温度及びガスジェネレータ軸18の回転速度に基づいて燃焼器8への空気流量を算出してIGV11を制御するIGV開度制御部10bと、燃焼器8への燃料流量および空気流量に基づいて燃空比を算出し、その燃空比に応じて、予混合バーナに燃料を供給する予混合燃料系を切り替える切替制御部10cと、を含んで構成される制御装置10を備える。
【選択図】図1
Description
燃焼器で発生された燃焼ガスは、高圧タービンを回転駆動して圧縮機の駆動力を発生させた後、低圧タービンに送られてこれを回転駆動する。
すなわち、燃焼器の予混合燃焼開始時には、燃料流量の増加に対応して、予混合燃焼する領域を選択して増やしている。
なお、図2の(a)の横軸は負荷L、縦軸は燃料流量Fを示し、(b)の横軸は大気温度T、縦軸は、燃料流量Fを示す。
また、図3の(a)の横軸は負荷L、縦軸は空気流量Aを示し、(b)の横軸は大気温度T、縦軸は、空気流量Aを示す。
出力タービン3は、低圧タービン4の出力タービン軸6に負荷機器5が接続されて構成される。負荷機器5は、例えば発電機であり、負荷の大きさ(以下、負荷Lと称する)を含んだ負荷の状態を示す負荷状態信号Lsを出力する。
圧縮機7は、大気から取り込む空気を圧縮して圧縮空気16を生成する。また、圧縮機7の空気取り込み側には、IGV(Inlet Guide Vane:入口案内翼)11が備わる。
IGV11は、IGV駆動装置12によって駆動され、圧縮機7の空気取り込み口7aの開度を変える機能を有する。この構成によって、IGV11を駆動して圧縮機7の空気取り込み量を変えることができる。
また、高圧タービン9のガスジェネレータ軸18を回転駆動して減圧された燃焼ガス17は、出力タービン3の低圧タービン4に導入されて、出力タービン軸6を回転駆動する。
ガスジェネレータ制御装置10は、入力される回転速度信号ωsによってガスジェネレータ軸18の回転速度ωを算出できる。
大気温度検出器23は、圧縮機7の空気取り込み口7aに備わってガスジェネレータ制御装置10と接続され、圧縮機7に取り込まれる大気温度Tを検出する。そして、検出した大気温度Tを温度信号Tsに変換して出力し、ガスジェネレータ制御装置10に入力する。ガスジェネレータ制御装置10は、入力される温度信号Tsによって大気温度Tを算出できる。
燃料制御部10aは、負荷機器5から入力される負荷状態信号Lsと、大気温度検出器23から入力される温度信号Tsに基づいて、燃焼器8における燃料15の好適な流量(燃料流量F)を算出し、燃焼器8における燃料15の流量が、算出した燃料流量Fになるように燃料制御弁14の開度を制御する。
負荷Lに対応した好適な燃料流量Fは、予め実験等で求めておけばよい。
そして、ガスジェネレータ制御装置10の燃料制御部10a(図1参照)は、大気温度検出器23から入力される温度信号Tsによって大気温度Tを算出し、算出した大気温度Tに基づいて図2の(a)に示すグラフを参照して燃料流量Fを算出する。
ガスジェネレータ制御装置10の燃料制御部10a(図1参照)は、負荷機器5(図1参照)から入力される負荷状態信号Lsによって算出する負荷Lと、大気温度検出器23(図1参照)から入力される温度信号Tsによって算出する大気温度Tに基づいて第1のマップデータを参照し、負荷Lと大気温度Tに対応した燃料流量Fを算出できる。
負荷Lに対応した好適な空気流量Aは、予め実験等で求めておけばよい。
そして、ガスジェネレータ制御装置10のIGV開度制御部10bは、大気温度検出器23から入力される温度信号Tsによって大気温度Tを算出し、算出した大気温度Tに基づいて図3の(a)に示すグラフを参照して空気流量Aを算出する。
そして、ガスジェネレータ制御装置10のIGV開度制御部10bは、回転速度検出器21から入力される回転速度信号ωsによってガスジェネレータ軸18の回転速度ωを算出し、算出した回転速度ωに応じて図3の(a)に示すグラフを参照して空気流量Aを算出する。
ガスジェネレータ制御装置10のIGV開度制御部10bは、負荷機器5から入力される負荷状態信号Lsによって算出する負荷Lと、大気温度検出器23から入力される温度信号Tsによって算出する大気温度Tと、回転速度検出器21から入力される回転速度信号ωsによって算出するガスジェネレータ軸18の回転速度ωに基づいて第2のマップデータを参照し、負荷Lと大気温度Tとガスジェネレータ軸18の回転速度ωに対応した空気流量Aを算出できる。
図4の(a)、(b)に示すように、燃焼器8は一方が閉塞した有底の円筒形状を呈する燃焼器カバー80内に形成され、中央部には拡散燃焼用のバーナである拡散パイロットバーナ81が備わる。
さらに、拡散パイロットバーナ81の外周を取り囲むように、予混合燃焼用のバーナである予混合バーナ82が備わる。予混合バーナ82は拡散パイロットバーナ81の全周に亘って備わり、複数の予混合バーナ用燃料ノズル82a、及び保炎器83を備えて構成される。
また、燃焼器カバー80の内周に沿うように燃焼器ライナ84aが備わって燃焼室84を形成する。
燃焼器8は、燃焼室84が形成される側を正面とする。
また、予混合燃料系86には、燃料15の流量を調節するための流量調節弁87が備わる。流量調節弁87は、ガスジェネレータ制御装置10の切替制御部10cと接続され、切替制御部10cからの制御信号によって開度が調節される。
この燃焼領域82f1、82f3、82f4、82f2が、個別に予混合燃焼できる領域になる。
そして、図4の(a)に示す予混合燃料系86は、燃焼領域82f1〜82f4のそれぞれに、個別に燃料15を供給可能なように4系統からなり、燃焼領域82f1〜82f4に対応して、予混合燃料系86f1〜86f4が備わる。
さらに、予混合燃料系86f1〜86f4には、それぞれ流量調節弁87f1〜87f4が備わる(図4の(a)には、予混合燃料系86f1,86f4と流量調節弁87f1,87f4が図示されている)。
また、予混合バーナ用燃料ノズル82aを介して予混合バーナ82に燃料15を供給すると、燃料15は予混合バーナ82内部で予混合バーナ用空気16aと混合(予混合)して燃焼室84で予混合燃焼する。
すなわち、本実施形態に係る燃焼器8は、拡散パイロットバーナ81による拡散燃焼と予混合バーナ82による予混合燃焼を並行して運転することができる。
すなわち、切替制御部10cが、燃料15を供給する燃焼領域82f1〜82f4を選択することで、予混合燃焼する燃焼領域82f1〜82f4を選択できる。
例えば、燃焼領域82f1で予混合燃焼する場合、切替制御部10cは流量調節弁87f1を開いて燃焼領域82f1に燃料15を供給すればよいし、燃焼領域82f1と燃焼領域82f2で予混合燃焼する場合、切替制御部10cは流量調節弁87f1,87f2を開いて燃焼領域82f1,82f2に燃料15を供給すればよい。
そして、図1に示す2軸式ガスタービン1に備わる燃焼器8の予混合燃焼開始の際、ガスジェネレータ制御装置10は、負荷Lが「0」のときから負荷Lがある程度上昇するまで、燃焼器8の拡散パイロットバーナ81で拡散燃焼して安定した火炎を発生させる。
そして、燃焼器8の拡散燃焼によって負荷Lがある程度上昇した時点で、ガスジェネレータ制御装置10は、燃焼器8の予混合バーナ82で予混合燃焼を開始して、NOxの発生を抑える。
以下、燃焼器8の予混合燃焼開始時に拡散燃焼を開始すること、及び予混合燃焼する燃焼領域82f1〜82f4を増やすことを「動作状態の変更」と称し、燃焼器8の動作状
態を変更する点を「変更点」と称する。
すなわち、切替制御部10cが流量調節弁85aを開いて、拡散パイロットバーナ81に燃料15を供給する点である。
なお、変更点P1において、燃料制御弁14は、図2の(a)に示すグラフに基づいて、負荷が「0」のときに設定される燃料流量Fとなる開度で開かれている。
また、IGV開度制御部10b(図1参照)は、負荷Lと大気温度Tとガスジェネレータ軸18の回転速度ωに基づいて図3の(a)に示すグラフを参照し、空気流量Aを算出する。
そして、ガスジェネレータ制御装置10の切替制御部10c(図1参照)は、燃料流量Fと空気流量Aとから、燃空比(F/A)を算出する。
そして、燃料15が供給された予混合バーナ82の燃焼領域82f1は、予混合燃焼を開始する。
燃空比FA1は、予混合バーナ82の燃焼領域82f1で予混合燃焼を開始するのに好適な燃空比(F/A)として、予め実験等で設定しておくことができる。
そして、燃料15が供給された予混合バーナ82の燃焼領域82f2は、予混合燃焼を開始する。
燃空比FA2は、予混合バーナ82の燃焼領域82f2で予混合燃焼を開始するのに好適な燃空比(F/A)として、予め実験等で設定しておくことができる。
そして、予混合バーナ82の燃焼領域82f3と燃焼領域82f4は順次予混合燃焼を開始する。
同様に、燃空比FA4は、予混合バーナ82の燃焼領域82f4(図4の(b)参照)で予混合燃焼を開始する変更点P24の燃空比(F/A)であり、燃焼領域82f4で予混合燃焼を開始するのに好適な燃空比(F/A)として、予め実験等で設定しておくことができる。
換言すると、負荷Lの上昇に伴って、燃空比(F/A)が図5に破線で示すように増加する場合であっても、ガスジェネレータ制御装置10(図1参照)は、燃空比FA1〜FA4のときに燃焼器8(図1参照)の動作状態を変更することができる。
互いに隣接する燃焼領域の一方で予混合燃焼する場合、予混合燃焼する燃焼領域と予混合燃焼しない燃焼領域の境界部分の不燃焼部分からCOが発生することがわかっている。そこで、燃料領域82f1の次に、隣接する燃料領域82f2で予混合燃焼を開始して、予混合燃焼する燃焼領域と予混合燃焼しない燃焼領域の境界部分が少なくなるように構成する。
すなわち、ガスジェネレータ制御装置10の切替制御部10c(図1参照)は、燃空比(F/A)に基づいて、燃焼器8の動作状態を変更する。
4 低圧タービン
5 負荷機器
6 出力タービン軸
7 圧縮機
8 燃焼器
9 高圧タービン
10 ガスジェネレータ制御装置(制御装置)
10a 燃料制御部
10b IGV開度制御部(入口案内翼開度制御部)
10c 切替制御部
11 IGV(入口案内翼)
18 ガスジェネレータ軸
81 拡散パイロットバーナ(拡散燃焼用のバーナ)
82 予混合バーナ(予混合燃焼用のバーナ)
82f1,82f2,82f3,82f4 燃焼領域(領域)
86 予混合燃料系
A 空気流量
F 燃料流量
F/A 燃空比
Claims (2)
- 入口に空気取り込み量を調節する入口案内翼が設けられた圧縮機と、
拡散燃焼を行う拡散パイロットバーナおよび予混合燃焼を行う複数の予混合バーナを含んで構成される燃焼器と、
前記圧縮機とガスジェネレータ軸を介して連結され、前記燃焼器で発生した燃焼ガスにより駆動される高圧タービンと、
負荷機器を駆動する出力タービン軸と接続され、前記高圧タービンから排出された燃焼ガスにより駆動される低圧タービンと、を備えた2軸式ガスタービンにおいて、
負荷の大きさ及び大気温度に基づいて、前記燃焼器に供給する燃料流量を算出し、この燃料流量となるように燃料制御弁の開度を制御する燃料制御部と、
負荷の大きさ、大気温度及び前記ガスジェネレータ軸の回転速度に基づいて、前記燃焼器に供給する空気流量を算出し、この空気流量となるように前記入口案内翼の開度を制御する入口案内翼開度制御部と、
前記燃料制御部で算出された燃料流量と、前記入口案内翼開度制御部で算出された空気流量に基づいて燃空比を算出し、該算出された燃空比に応じて、前記予混合バーナに燃料を供給する予混合燃料系を切り替える切替制御部と、
を含んで構成される制御装置を備えることを特徴とする2軸式ガスタービン。 - 前記制御装置は、大気温度の上昇に伴う減少率を、空気流量より燃料流量で大きくすることを特徴とする請求項1に記載の2軸式ガスタービン。
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