JP2013249755A - 高湿分空気利用ガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、高湿分利用ガスタービンの燃焼モード切り替え制御の安定化を図り、ガスタービン運転性能を向上するものである。
【解決手段】燃料温度調整装置と燃焼モード切り替え制御装置とを有する。前記燃焼モード切り替え制御装置は、ガスタービン運転状態を引数とする燃焼モード切り替え関数が、切り替え閾値の近傍にある場合、前記燃料温度調整装置に燃料加熱指令を出力する。前記燃焼モード切り替え関数が、前記切り替え閾値から離れている場合、前記燃料加熱指令の出力を中止する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガスタービンの作動流体に高湿分空気を利用した高湿分空気利用ガスタービンに関する。

ガスタービンは、圧縮機にて吸い込む空気を圧縮し、得られた圧縮空気を燃焼用空気として燃焼器へ送り、燃料と混合させ燃焼することで発生する燃焼ガスによりタービンを回転させ、前記圧縮機と発電気等との負荷を駆動する動力を得る装置である。

これに対し、高湿分空気利用ガスタービンは、燃焼用空気の高湿分付加により、プラント単独で複合発電プラントと同等、若しくはそれ以上の出力及び効率を得るガスタービンの一形態として提案されたものである。具体的には、圧縮機で圧縮した圧縮空気を、水噴霧スプレーを有する加湿管等の装置により多量の湿分を加えた後、タービンを回転させた燃焼ガスを熱源とする再生熱交換器にて加熱し、高湿分空気を得て燃焼用空気とする。

高湿分空気利用ガスタービンも含む、ガスタービンの燃焼器には環境負荷の抑制、燃料消費量の削減が求められている。このため、窒素酸化物の排出量を低減し、燃焼効率を高める目的で、予め燃料と空気を混合した後燃焼する予混合燃焼方式と称する燃焼方式を採用した燃焼器が主流となっている。予混合燃焼方式により、窒素酸化物などの物質の発生を抑制し、高い燃焼効率で運転が可能である。

しかし、前記燃焼方式は、燃料と空気の混合比率である燃空比に対し、燃焼器内で火炎の吹き消え、逆火が発生しない燃焼安定条件の範囲が狭いという特徴がある。ガスタービンの負荷変化運転時は、燃料流量と同時に空気流量も変化するため燃焼状態が動的に変動する。そこで、燃焼器の燃焼安定性を高め、かつガスタービンの負荷運転を可能にする方法として、予混合燃焼方式のメインバーナ複数台と、拡散燃焼方式のパイロットバーナとを組み合わせた燃焼器が提案されている。この燃焼器は、負荷運転中に各バーナへの燃料配分を変更することで、メインバーナを点火或いは消火する。これにより、燃料流量及び空気流量の増減に合わせて段階的に予混合燃焼の割合を高めることができる（以下、燃焼モード切り替え制御）。燃焼モード切り替え制御により、燃焼安定性を維持しつつ窒素酸化物の排出量を低減し、燃焼効率を高めることが可能である。

特許文献１では、燃料温度を調整する装置を有することで燃料の体積及び密度を制御する。これにより、燃焼器外部の温度環境が変化しても、燃焼器内部の各バーナへの燃料配分が、窒素酸化物の排出量を低減し、かつ高燃焼効率となる予め算出した燃料配分比率の範囲内に収まるよう維持する方法を提案している。

特開２００３−５６３６５号公報

特許文献１が提案する燃焼制御方法は、複数個あるバーナに対し１つの燃料供給装置で燃料供給する燃焼器を対象とする。該燃焼器では燃料供給装置から供給される燃料流量が決定すると、各メインバーナの燃料配分が定まる構成となっている。

これに対して、燃焼器の中には窒素酸化物の低減性能、燃焼効率の向上を図るため燃料供給装置を複数台有し、各メインバーナへの燃料投入量を独立に調整可能な燃焼器がある。この燃焼器では、燃焼器に投入する燃料と空気の流量や温度に応じて、各メインバーナの点火及び消火（燃焼モード）を含めた燃料配分を考慮する必要がある。そこで、燃焼モード切り替え制御を導入し、燃焼モードを変更することで窒素酸化物の排出量を低減し、高燃焼効率を維持する方法が提案されている。

特許文献１は燃料供給装置を複数台有する燃焼器を対象としていないため燃焼モード切り替え制御については考慮しない。燃焼モード切り替え制御に関しては、メインバーナの点火或いは消火の切り替え点において燃焼安定性が変化する。例えば、前記切り替え点近傍にて圧縮機が吸い込む空気温度や目標発電出力のわずかな変動が発生した場合において、変動を補償するために燃料配分を変更した結果、切り替え点近傍において点火及び消火を繰り返すハンチング現象が生じる。その結果、窒素酸化物の排出量、燃焼効率が悪化するのみならず、ガスタービンの運転性能も低下する可能性がある。

また、これとは別に、加湿装置により空気を加湿する高湿分空気利用ガスタービンでは、湿分の付加開始時や停止時、また湿分量の変更時において、燃焼安定性が低下する課題がある。

以上の課題に対し、特許文献１に示す燃焼制御方法は、燃料温度制御により燃焼器外部の温度環境が変化しても、窒素酸化物の排出量を低減し高燃焼効率を維持する方法を示している。しかしながら、燃料供給装置を複数台有する燃焼器の場合、また高湿分利用ガスタービンに搭載する場合については言及していない。

上記問題を解決するため、本発明の高湿分利用ガスタービンは、燃料温度調整装置と燃焼モード切り替え制御装置とを有する。前記燃焼モード切り替え制御装置は、ガスタービン運転状態を引数とする燃焼モード切り替え関数が、切り替え閾値の近傍にある場合、前記燃料温度調整装置に燃料加熱指令を出力する。前記燃焼モード切り替え関数が、前記切り替え閾値から離れている場合、前記燃料加熱指令の出力を中止する。

本発明によれば、複数のメインバーナが運転状態に合わせて点火或いは消火する燃焼モード切り替え制御機能を有する高湿分利用ガスタービンにおいて、負荷運転時に、燃焼モード切り替え制御を安定化し、ガスタービンの運転性能を向上させることができる。

予混合燃焼方式を採用した燃焼器の概略図である（実施例１、２、３）。 本実施例の高湿分空気利用ガスタービン発電システム概略図である（実施例１）。 本実施例の燃焼状態制御装置ブロック概略図である（実施例１）。 本実施例の高湿分空気利用ガスタービン発電システム運転特性概略図である。（実施例１） 本実施例の高湿分空気利用ガスタービン発電システム概略図である（実施例２）。 本実施例の高湿分空気利用ガスタービン発電システム概略図である（実施例３）。

本発明の適用対象とする燃焼器を図１により説明する。図１は複数の予混合燃焼方式バーナと拡散燃焼方式バーナを組み合わせた燃焼器の概略図である。

中心部に拡散燃焼方式のパイロットバーナ１０１、その周囲に複数個（ｎ個）に分割して配置された予混合燃焼方式のメインバーナ群１０２から構成される。本発明では、ｎは特定の数に限定するものではない。メインバーナの燃料供給系統とその制御系統も本来ｎ個存在するが、説明のため、第１メインバーナ１０３と第ｎメインバーナ１０４に関連するもののみ記載した。パイロットバーナ１０１には燃料供給配管１０５が接続されており、運転状態に応じて投入燃料流量を調整するためのパイロットバーナ燃料調整弁１０６を設けている。第１メインバーナ１０３には燃料供給配管１０７が接続されており、第１メインバーナ燃料調整弁１０８を設けている。同様に、第ｎメインバーナ１０４には燃料供給配管１０９が接続されており、第ｎメインバーナ燃料調整弁１１０を設けている。燃料調整弁制御装置１１１はパイロットバーナ１０１及び複数のメインバーナ１０３、１０４の燃空比が最適な値となるよう前記燃料供給系統への燃料配分を計算し、該燃料配分を満たすよう燃料調整弁１０６、１０８、１１０に開度指令を出力する。燃料調整弁制御装置１１１では、例えば、計測器で検出した燃料流量と予め記録された燃焼切り替え閾値を比較し、大小関係に応じてメインバーナ群１０２が安定燃焼できる燃空比を維持できるようにメインバーナ群１０２の一部のメインバーナを点火或いは消火する燃焼モード切り替え制御を行う。

ここで、予混合燃焼において、安定した燃焼状態を維持し、かつ窒素酸化物の排出量を低減し高燃焼効率が期待できる望ましい燃空比（以下、安定した燃焼状態を維持し、かつ窒素酸化物の排出量を低減し高燃焼効率が期待できる燃空比を望ましい燃空比と称する。）は燃料温度によって異なり、例えばメタンでは一般に燃空比５.０％から１５.０％程度が良いとされるが、メタン温度を上昇させることで望ましい燃空比の下限を４.５％程度まで引き下げられることが知られている。また、燃料温度が望ましい燃空比の変化に与える影響は、燃焼用空気に含まれる湿分量が高いほど大きくなる傾向があり、高湿分利用ガスタービンでは燃料温度を制御する効果が高い。

本発明では、燃料温度によって予混合燃焼に望ましい燃空比が変化することから、燃料加熱装置を設け燃焼器に投入する前に燃料を加熱できる構成とした。さらに、過剰な過熱を避けるためバイパス弁を設け、燃料温度調整可能な構成とした。

また、本発明の制御装置は、燃焼器を構成する各バーナに燃料を供給する燃料配管に燃料調整弁を設け、各バーナが望ましい燃空比になるように制御すると伴に、運転状態に応じてメインバーナの点火或いは消火を制御する機能を有し、さらに運転状態がメインバーナの点火或いは消火の燃焼モードの切り替え閾値近傍で運転を継続する場合を考慮し、燃料温度を変化させることで燃焼に適した燃空比を変更し、切り替え閾値に補正を加え、燃焼モード切り替え制御を安定した状態にすることで窒素酸化物の排出量を低減し、燃焼効率を高める機構とその制御装置を設ける。

本発明の実施例を図２及び図３により説明する。図２は、高湿分空気利用ガスタービン発電システムに、燃料温度調整装置を設けた高湿分空気利用ガスタービンシステムの構成を示す。

図２において、空気２０１は入口案内翼２０２を介して圧縮機２０３の内部へ導かれる。圧縮機２０３にて加圧した空気２０１は、圧縮空気２０４として加湿管型加湿装置２０５へ流入する。本実施例では加湿装置として水噴霧スプレー２０６を多数配する加湿管型加湿装置を採用しているが、増湿塔型の加湿装置でも構わない。水噴霧スプレー２０６には、水タンク２０７からポンプ２０８を介して水が供給され、加湿管型加湿装置２０５にて液滴を噴霧し圧縮空気２０４を加湿する。噴霧した水の内、圧縮空気２０４の加湿に寄与しない余剰の水は、ドレイン２０９として加湿管型加湿装置２０５から排出され、再び水タンク２０７に貯められる。一方、加湿された圧縮空気２０４は加湿空気２１０として再生熱交換器２１１に送られ、熱交換により加熱される。熱交換後の加湿空気２１０は燃焼用空気２１２として燃焼器２１３へ送られる。燃焼器２１３では燃焼用空気２１２と、燃料供給配管１０５、１０７、１０９を介して各燃焼バーナ１０１、１０３、１０４へ流入した燃料とを燃焼し、高温の燃焼ガス２１４を得る。燃焼ガス２１４はタービン２１５へ流入し、タービン２１５と軸２１６を介した発電機２１７を駆動し、発電する。タービン２１５を駆動した燃焼ガス２１４は、燃焼排ガス２１８としてタービン２１５より排出され、熱源として再生熱交換器２１１に送られ、加湿空気２１０の加熱に用いられる。熱交換後の燃焼排ガス２１８は低温排ガス２１９として排出される。

次に発明の主体設備である燃料温度調整装置と燃焼モード切り替え制御装置の構成を説明する。燃料タンク（記号省略）より供給される燃量は、分岐配管２２０にて燃料加熱装置２２１と燃料温度調整弁２２２に分配される。燃料加熱装置２２１と燃料温度調整弁２２２とは合流配管２２３に接続されており、合流した燃料温度Ｔｆを温度計測器２２４により計測する。燃料温度調整弁２２２の開度を制御することで、燃料加熱装置２２１を通過する燃料流量を調整でき、燃料温度Ｔｆに対し目標値が与えられれば、温度計測器２２４で計測される燃料温度Ｔｆを該目標値に近づけることが可能である。燃料は燃料温度Ｔｆを計測した後、燃料圧力調整弁２２５に送られる。燃料圧力調整弁２２５は、燃料調整弁１０６、１０８、１１０での燃料流量制御を容易にするため、燃料調整弁１０６、１０８、１１０が臨界圧力に達する燃料圧力となるよう開度制御を行う。温度と圧力を調整された燃料は分岐配管２２６から各燃料調整弁１０６、１０８、１１０に送られる。燃料調整弁１０６、１０８、１１０は、燃焼モード切り替え制御装置の出力指令に従い、各バーナ１０１、１０３、１０４の燃空比が望ましい燃空比となるように投入する燃料流量を開度変化によって制御する。

なお、本システムの計測装置としては、燃料温度Ｔｆを計測する温度計測器２２４のほかに、発電機の発電量を計測する出力計測器２３０、入口案内翼開度Ｉを計測する開度計測器２３１、軸回転数Ｎを計測する回転数計測器２３２、加湿流量Ｇａを計測する流量計測器２３３、ドレイン流量Ｇｄを計測する流量計測器２３４、第１メインバーナ１０３へ投入する燃料流量Ｇｍ１を計測する流量計測器２３５、燃料圧力Ｐｆを計測する圧力計測器２３６、圧縮機２０３の吸い込み空気２０１の温度Ｔ０を計測する温度計測器２３７がある。

図３は、湿分空気利用ガスタービン発電システムに燃料温度制御装置と燃焼モード切り替え制御装置を設けた燃料温度制御湿分空気利用ガスタービンシステムの燃焼器２１３の燃焼状態を調整する制御装置２２７の構成を示す。

図３において、制御装置２２７に外部から、例えば電力会社の中央給電指令所や運転員の手動設定によって目標発電出力ＭＷＤが入力される。関数生成器３０２は目標発電出力３０１と出力計測器２３０で計測される発電量ＭＷを引数として読み込み、燃焼器２１３に投入する燃料流量Ｇｆの目標値３０３を計算し出力する。関数生成器３０４では燃焼器２１３に投入される空気流量３０５を計算する。計算方法に指定は無く、流量計により直接空気流量を計測しても良い。本実施例においては、開度計測器２３１で計測される入口案内翼開度Ｉと回転数計測器２３２で計測される軸回転数Ｎを引数として推定演算する。関数生成器３０６では燃焼器２１３に投入される湿分量３０７を計算する。計算方法に指定は無いが直接計測は難しいことから、本実施例においては、流量計測器２３３で計測される加湿流量Ｇａと流量計測器２３４で計測されるドレイン流量Ｇｄを引数として推定演算する。

燃焼モード切り替え制御装置３０８は、燃焼器２１３に投入される燃料流量Ｇｆの目標値３０３、燃焼器２１３に投入される空気流量３０５、燃焼器２１３に投入される湿分量３０７を引数として、燃焼モード切り替え関数３０９を計算する。燃焼モード切り替え制御装置３０８には実験や解析により予め設定した切り替え閾値３１０が複数記録されており、燃焼モード切り替え関数３０９と切り替え閾値３１０の大小比較により、各メインバーナ１０３、１０４の点火或いは消火を判定し、判定結果３１１を出力する。

補正関数生成器３１２は温度計測器２２４で計測される燃料温度Ｔｆ、圧力計測器２３６で計測される燃料圧力Ｐｆ、温度計測器２２４で計測される空気温度Ｔ０を引数として補正係数を計算し、切り替え閾値３１０を補正する信号３１３を出力する。本実施例ではガスタービンの運転状態を特定するパラメータとして主要な上記４種を選定したが、これ以外のパラメータを補正関数生成器３１２の引数に加えても良い。

判定結果３１１は、燃焼器２１３に投入する燃料流量Ｇｆの目標値３０３と伴に、燃料調整弁制御装置１１１に入力さる。燃料調整弁制御装置１１１では、パイロットバーナ１０１と各メインバーナ１０３、１０４のうち点火の判定を受けたものとで、各々が望ましい燃空比となるよう燃料配分を計算し、燃料調整弁１０６、１０８、１１０に開度指令を出力、開度制御を行う。開度制御方法は、例えば、流量計測器２３５で計測した燃料流量Ｇｍ１と前記燃料配分の計算結果の偏差を小さくするようフィードバック制御しても良いし、燃料調整弁１０６、１０８、１１０の特性を予め燃料調整弁制御装置１１１に記録しておき、温度計測器２２４で計測される燃料温度Ｔｆ、圧力計測器２３６で計測される燃料圧力Ｐｆから前記燃料配分の計算結果を満たす開度を逆算する制御方法をとっても良い。

また、燃焼モード切り替え制御装置３０８は、燃焼モード切り替え関数３０９が切り替え閾値３１０近傍にあると判定した場合、燃料温度制御装置３１４に燃料温度制御指令３１５を出力し、燃料温度を調整する。燃焼モード切り替え関数３０９が安定燃焼可能な燃空比の下限に対応する切り替え閾値３１０近傍にあると判定した場合、燃料温度制御指令３１５は燃料温度を上昇させる指令となり、安定燃焼可能な燃空比の上限に対応する切り替え閾値３１０近傍にあると判定した場合、燃料温度制御指令３１５は燃料温度を低下させる指令となるよう設定する。燃料温度制御装置３１４は燃料温度制御指令３１５を受け、燃料温度Ｔｆが目標値に近づくよう燃料温度調整弁２２２の開度を制御する。

次に実施例１の動作を説明する。

図３において、関数生成器３０２は目標発電出力ＭＷＤ、発電量ＭＷに対しガスタービン発電システムの発電量ＭＷが目標発電出力ＭＷＤに近づくための燃料流量Ｇｆ目標値３０３を計算する。燃料調整弁制御装置１１１にて燃料配分を勘案した上で燃料流量Ｇｆの目標値３０３が燃焼器２１３に投入されるべく燃料調整弁１０６、１０８、１１０を制御するため、燃料流量Ｇｆ目標値３０３を燃焼器２１３に投入する燃料流量として扱う。

燃焼モード切り替え関数３０９は各バーナの燃空比を予測する関数で、切り替え閾値３１０は各バーナ１０１、１０３、１０４が安定燃焼可能な燃空比の上限及び下限を、燃焼モード切り替え関数３０９の形式に合わせ数値化したものである。安定燃焼可能な燃空比は前述の通り、ガスタービンの運転状態によって変化する。このため補正関数生成器３１２によって切り替え閾値３１０をガスタービンの運転状態に合わせて補正する。ガスタービン運転中に燃焼モード切り替え関数３０９と切り替え閾値３１０との大小関係が反転する場合、現行の燃焼モードのままでは安定燃焼可能な燃空比を逸脱する恐れがあるため、メインバーナ群１０２の燃焼しているバーナ数を変更し、安定燃焼可能な燃空比を保持できるよう各メインバーナの点火或いは消火をするため判定結果３１１を燃料調整弁制御装置１１１へ出力する。

燃焼モード切り替え関数３０９が切り替え閾値３１０近傍にある状態で運転を続ける場合、本実施例の制御装置でなければ外乱要因によって燃焼がメインバーナの点火及び消火を繰り返す可能性がある。本実施例の場合、燃料温度制御装置３１４に燃料温度制御指令３１５が出力され、燃料温度Ｔｆを制御することにより燃焼状態、つまりは安定燃焼可能な燃空比を変更し、燃焼モード切り替え関数３０９と切り替え閾値３１０との差を拡大、容易に点火及び消火が繰り返されない状態に移行する。

図４に燃焼モード切り替え関数３０９が切り替え閾値３１０近傍にある運転時における本実施例の高湿分空気利用ガスタービンシステム制御特性を示す。図４に基づいて本実施例の高湿分空気利用ガスタービンの制御特性について説明する。

図４（ａ）は高湿分空気利用ガスタービン発電システムの目標発電出力ＭＷＤを一定割合で緩やかに低下させ、燃焼モード切り替え関数３０９が切り替え閾値３１０近傍になった時点で一定値に保持した場合の燃焼モード切り替え関数３０９、切り替え閾値３１０、燃料温度Ｔｆの時間変化を示している。燃料温度制御装置がない従来システムの場合は、切り替え閾値３１０は変動しないため、燃焼モード切り替え関数３０９と切り替え閾値３１０との大小関係が頻繁に入れ替わっている。

図４（ｂ）は同運転における第ｎメインバーナ１０４に投入される燃料の時間変化を示している。従来システムの場合は、燃焼モード切り替え関数３０９と切り替え閾値３１０との大小関係が入れ替わる度に燃焼モードの切り替えが発生し、第ｎメインバーナ１０４の点火及び消火が繰り返されるが、本実施例では燃料温度制御装置による燃料温度Ｔｆの変化により切り替え閾値３１０を変更できるため、安定燃焼が可能である。

本実施例によれば、燃料温度Ｔｆを変化させることで各バーナ１０１、１０３、１０４の望ましい燃空比を変更することにより切り替え閾値３１０を補正し、燃焼モード切り替え制御を実現できる。従って、メインバーナ１０３、１０４の点火及び消火が頻発することを回避するため不感帯等により強制的に燃焼切り替えを禁止するのに比べ、燃焼安定性、窒素酸化物の排出量低減性能及び燃焼効率が良い。

また、メインバーナ１０３、１０４の点火或いは消火が発生する切り替え点を、運転状態に対して移動させることができるので、燃焼モードの切り替え制御や加湿管型加湿装置２０５における加湿量の変化が燃焼状態に与える影響を緩和できる。以上から、高湿分空気利用ガスタービン発電システムの発電負荷を自由に設定できる範囲が広がり、発電システムとしての運用面も向上した発電システムを提供できる。

本発明の実施例２における構成を図５及び図３により説明する。

図５は、図２の実施例１における燃料加熱装置２２１を、低温排ガス２１９を熱源とする新たな燃料加熱装置５０１に置き換えたことを特徴とする。図２と異なるシステム構成は、以下の通りである。

燃料タンクより供給される燃量は、分岐配管２２０にて低温排ガス２１９を熱源とする燃料加熱装置５０１と燃料温度調整弁２２２とに分配される。燃料加熱装置５０１と燃料温度調整弁２２２とは合流配管２２３に接続される。

次に実施例２の動作を説明する。

図３において、燃料温度制御装置３１４に燃料温度制御指令３１５が出力された場合には、低温排ガス２１９を熱源とする燃料加熱装置５０１により燃料温度Ｔｆの加熱を行う。熱源を低温排ガス２１９とすることで、燃料の加熱にシステム外からエネルギーを投入する必要がなく経済性が向上する。

なお、低温排ガス２１９の温度及び流量は高湿分利用ガスタービン発電システムの運転状態によって変化する。燃料温度Ｔｆの目標値追従制御を容易にする目的で、ガスタービンの各種運転指令値を燃料温度制御装置３１４に入力し燃料温度Ｔｆの目標値追従制御に対し先行制御系を構築する、或いは過去のガスタービン運転データから燃料温度Ｔｆの目標値追従制御に対し学習制御系を構築しても良い。

本実施例によれば、燃料温度Ｔｆを変化させることで各バーナ１０１、１０３、１０４の望ましい燃空比を変更することにより切り替え閾値３１０を補正し、燃焼モード切り替え制御を実現できる。従って、メインバーナ１０３、１０４の点火及び消火が頻発することを回避するため不感帯等により強制的に燃焼切り替えを禁止するのに比べ、燃焼安定性、窒素酸化物の排出量低減性能及び燃焼効率が良い。

また、メインバーナ１０３、１０４の点火或いは消火が発生する切り替え点を、運転状態に対して移動させることができるので、燃焼モードの切り替え制御や加湿管型加湿装置２０５における加湿量の変化が燃焼状態に与える影響を緩和できる。以上から、高湿分空気利用ガスタービン発電システムの発電負荷を自由に設定できる範囲が広がり、発電システムとしての運用面も向上した発電システムを、新たな熱源を必要とせずに提供できる。

本発明の実施例２における構成を図６及び図３により説明する。

図６は、図２の実施例１における燃料加熱装置２２１を、ドレイン２０９を熱源とする新たな燃料加熱装置６０１に置き換えたことを特徴とする。図２と異なるシステム構成は、以下の通りである。

燃料タンクより供給される燃量は、分岐配管２２０にてドレイン２０９を熱源とする燃料加熱装置６０１と燃料温度調整弁２２２とに分配される。燃料加熱装置６０１と燃料温度調整弁２２２とは合流配管２２３に接続される。

次に実施例３の動作を説明する。

図３において、燃料温度制御装置３１４に燃料温度制御指令３１５が出力された場合には、ドレイン２０９を熱源とする燃料加熱装置６０１により燃料温度Ｔｆの加熱を行う。熱源をドレイン２０９とすることで、燃料の加熱にシステム外からエネルギーを投入する必要がなく経済性が向上する。

ドレイン２０９の温度は低温排ガス２１９に比べ低い。しかし、燃料温度Ｔｆを過度に上昇すると燃料密度が低下し、燃焼器２１３に流入する燃料の流速が上昇する。流速が設計時の燃料流速計画値から大きく逸脱すると、火炎の吹き消え現象が発生する可能性が大きくなる。また、燃料種類にもよるが、燃料温度Ｔｆを過度に上昇すると自然発火温度に達し、燃料系統内で望まぬ燃焼反応が発生する可能性もあり、燃料温度Ｔｆの上昇幅には制約がある。圧縮機２０３の圧縮比が１５を超えるような高圧縮比のシステムでは、圧縮空気２０４の温度は数百℃に達し、圧縮空気２０４と直接接触するドレイン２０９は燃料加熱装置６０１の熱源として十分な温度である。

なお、ドレイン２０９の温度及び流量は高湿分利用ガスタービン発電システムの運転状態によって変化する。燃料温度Ｔｆの目標値追従制御を容易にする目的で、ガスタービンの各種運転指令値を燃料温度制御装置３１４に入力し燃料温度Ｔｆの目標値追従制御に対し先行制御系を構築する、或いは過去のガスタービン運転データから燃料温度Ｔｆの目標値追従制御に対し学習制御系を構築しても良い。

本実施例によれば、燃料温度Ｔｆを変化させることで各バーナ１０１、１０３、１０４の望ましい燃空比を変更することにより切り替え閾値３１０を補正し、燃焼モード切り替え制御を実現できる。従って、メインバーナ１０３、１０４の点火及び消火が頻発することを回避するため不感帯等により強制的に燃焼切り替えを禁止するのに比べ、燃焼安定性、窒素酸化物の排出量低減性能及び燃焼効率が良い。

また、メインバーナ１０３、１０４の点火或いは消火が発生する切り替え点を、運転状態に対して移動させることができるので、燃焼モードの切り替え制御や加湿管型加湿装置２０５における加湿量の変化が燃焼状態に与える影響を緩和できる。以上から、高湿分空気利用ガスタービン発電システムの発電負荷を自由に設定できる範囲が広がり、発電システムとしての運用面も向上した発電システムを、新たな熱源を必要とせずに提供できる。

１０１ パイロットバーナ
１０２ メインバーナ群
１０３ 第１メインバーナ
１０４ 第ｎメインバーナ
１０５、１０７、１０９ 燃料供給配管
１０６ パイロットバーナ燃料調整弁
１０８ 第１メインバーナ燃料調整弁
１１０ 第ｎメインバーナ燃料調整弁
１１１ 燃料調整弁制御装置
２０１ 空気
２０２ 入口案内翼
２０３ 圧縮機
２０４ 圧縮空気
２０５ 加湿管型加湿装置
２０６ 水噴霧スプレー
２０７ 水タンク
２０８ ポンプ
２０９ ドレイン
２１０ 加湿空気
２１１ 再生熱交換器
２１２ 燃焼用空気
２１３ 燃焼器
２１４ 燃焼ガス
２１５ タービン
２１６ 軸
２１７ 発電機
２１８ 燃焼排ガス
２１９ 低温排ガス
２２０、２２６ 分岐配管
２２１、５０１、６０１ 燃料加熱装置
２２２ 燃料温度調整弁
２２３ 合流配管
２２４、２３７ 温度計測器
２２５ 燃料圧力調整弁
２３０ 出力計測器
２３１ 開度計測器
２３２ 回転数計測器
２３３、２３４、２３５ 流量計測器
２３６ 圧力計測器
３０１、ＭＷＤ 目標発電出力
３０２、３０４、３０６ 関数生成器
３０３ 目標値
３０５ 空気流量
３０７ 湿分量
３０８ 燃焼モード切り替え制御装置
３０９ 燃焼モード切り替え関数
３１０ 切り替え閾値
３１１ 判定結果
３１２ 補正関数生成器
３１３ 信号
３１４ 燃料温度制御装置
３１５ 燃料温度制御指令
Ｇａ 加湿流量
Ｇｄ ドレイン流量
Ｇｆ、Ｇｍ１ 燃料流量
Ｉ 入口案内翼開度
ＭＷ 発電量
Ｎ 軸回転数
Ｐｆ 燃料圧力
Ｔ０ 温度
Ｔｆ 燃料温度

Claims (3)

1. 空気を吸い込み圧縮する圧縮機と、
   該圧縮機にて圧縮した空気を加湿する加湿装置と、
   該加湿装置で加湿した空気を加熱する再生熱交換器と、
   該再生熱交換器で加熱した高湿分空気と燃料とを燃焼する拡散燃焼バーナと予混合バーナとを有する燃焼器と、
   該燃焼器で発生した燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
   前記燃焼器に投入する燃料の温度調整装置と、
   前記燃焼器に投入する燃料温度の検出器と、
   前記燃焼器に投入する燃料流量、空気流量、湿分量、及び前記拡散燃焼バーナと前記予混合バーナとの燃料配分を制御する制御装置とを備えた高湿分空気利用ガスタービンにおいて、
   前記制御装置は、前記燃料流量と前記空気流量と前記湿分量とを引数として前記燃料温度の設定値を算出する機能と、
   前記燃料温度の検出器によって検出された燃料温度が該設定値に近づくように前記燃料の温度調整装置を制御する機能と、
   前記燃料流量と前記空気流量と前記湿分量と前記燃料温度とを引数として前記燃料配分を補正する関数により前記拡散燃焼バーナと前記予混合バーナとの燃料配分を補正する機能とを有することを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
2. 請求項１に記載の高湿分空気利用ガスタービンにおいて、
   前記燃焼器に投入する燃料の加熱装置の熱源は前記再生熱交換器で熱交換を終えたタービン排気であることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。
3. 請求項１に記載の高湿分空気利用ガスタービンにおいて、
   前記燃焼器に投入する燃料の加熱装置の熱源は前記加湿装置から排出されるドレインであることを特徴とする高湿分空気利用ガスタービン。