JP2015083779A - ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法 - Google Patents
ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2015083779A JP2015083779A JP2013221722A JP2013221722A JP2015083779A JP 2015083779 A JP2015083779 A JP 2015083779A JP 2013221722 A JP2013221722 A JP 2013221722A JP 2013221722 A JP2013221722 A JP 2013221722A JP 2015083779 A JP2015083779 A JP 2015083779A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- gas turbine
- air
- turbine combustor
- flow velocity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
- F02C9/26—Control of fuel supply
- F02C9/32—Control of fuel supply characterised by throttling of fuel
- F02C9/34—Joint control of separate flows to main and auxiliary burners
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
- F23N1/00—Regulating fuel supply
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
- F23N5/00—Systems for controlling combustion
- F23N5/18—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to rate of flow of air or fuel
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/002—Wall structures
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
- F23R3/16—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration with devices inside the flame tube or the combustion chamber to influence the air or gas flow
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
- F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
- F23R3/46—Combustion chambers comprising an annular arrangement of several essentially tubular flame tubes within a common annular casing or within individual casings
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2270/00—Control
- F05D2270/01—Purpose of the control system
- F05D2270/08—Purpose of the control system to produce clean exhaust gases
- F05D2270/082—Purpose of the control system to produce clean exhaust gases with as little NOx as possible
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2270/00—Control
- F05D2270/01—Purpose of the control system
- F05D2270/11—Purpose of the control system to prolong engine life
- F05D2270/112—Purpose of the control system to prolong engine life by limiting temperatures
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2270/00—Control
- F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
- F05D2270/301—Pressure
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2270/00—Control
- F05D2270/40—Type of control system
- F05D2270/44—Type of control system active, predictive, or anticipative
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
- F23N2225/00—Measuring
- F23N2225/04—Measuring pressure
- F23N2225/06—Measuring pressure for determining flow
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
- F23N2235/00—Valves, nozzles or pumps
- F23N2235/12—Fuel valves
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
- F23N2237/00—Controlling
- F23N2237/02—Controlling two or more burners
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
- F23N2241/00—Applications
- F23N2241/20—Gas turbines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
- F23R2900/03043—Convection cooled combustion chamber walls with means for guiding the cooling air flow
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Regulation And Control Of Combustion (AREA)
Abstract
【課題】燃焼器ライナのメタル温度の局所的な上昇とNOxの上昇を抑制したガスタービン燃焼器及びその制御方法を提供する。【解決手段】燃焼室を形成する燃焼器ライナと、前記燃焼室の上流側に配置された前記燃焼室に燃料を供給する複数のバーナとを備え、該複数のバーナは、中央バーナと、該中央バーナの周囲に複数個設置された外側バーナとから構成され、前記複数個の外側バーナにはそれぞれ燃料供給系統が配設され、前記燃料供給系統にはそれぞれ燃料流量調整弁が設けられ、前記燃焼器ライナの外周に円筒状のフロースリーブを備え、前記燃焼器ライナと前記フロースリーブとの間に形成された環状流路内に、流下する空気の流速を測定する流速計測手段が一つ以上配設され、前記流速計測手段で計測した前記環状流路内の空気流速に応じて、前記外側バーナに供給する燃料流量を調節する制御装置を備える。【選択図】 図2
Description
本発明はガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法に関する。
環境負荷低減の観点からガスタービンには更なる低NOx化が求められている。ガスタービン燃焼器を低NOx化するための方策として、予混合バーナを採用し、燃焼器ライナの冷却空気量を削減することで予混合気の希薄化を図っている。しかし、燃焼器内の空気偏流に起因する局所燃空比の上昇により、燃焼器ライナのメタル温度の局所的な上昇やNOxの上昇が懸念される。
特開2008−082330号公報(特許文献1)では、複数の燃焼室部分を有する燃焼器内部に設けた複数の燃料ノズルに分配される燃料流量、空気流量、またはその両者を調整することで燃焼室内の温度分布を制御する技術が開示されている。
ガスタービン燃焼器の空気導入部となる尾筒外筒では、周方向にわたり流入する空気流量に偏りが生じる場合がある。その場合、流入する空気流量が少ない周方向位置に設けられたバーナに供給される燃焼用空気流量が減少し、局所燃空比が上昇することで、燃焼器ライナのメタル温度が局所的に上昇することがある。更に局所火炎温度が上昇することによりNOxが上昇することがある。
特開2008−082330号公報には、燃焼室の温度分布を制御する技術が開示されている。しかし、局所燃空比の動的な管理に基づき低NOx化を実現する技術については何等開示されていない。
本発明の目的は、燃焼器ライナのメタル温度の局所的な上昇とNOxの上昇を抑制したガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、燃料と空気とを混合し燃焼させる燃焼室を形成する燃焼器ライナと、前記燃焼室の上流側に位置し、前記燃焼室に燃料を供給する複数のバーナとを備え、これらの複数のバーナは、中央バーナと、該中央バーナの周囲に複数個設置された外側バーナとから構成され、前記複数個の外側バーナにはそれぞれ燃料供給系統が配設され、前記燃料供給系統にはそれぞれ燃料流量調整弁が設けられ、前記燃焼器ライナの外周に円筒状のフロースリーブを備え、前記燃焼器ライナと前記フロースリーブとの間に形成された環状流路内に、流下する空気の流速を測定する流速計測手段が一つ以上配設され、前記流速計測手段で計測した前記環状流路内の空気流速に応じて、前記外側バーナに供給する燃料流量を調節する制御装置を備える。
本発明によれば、燃焼器ライナのメタル温度の局所的な上昇とNOxの上昇を抑制したガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法が実現できる。
本発明の実施例であるガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法について図面を用いて以下に説明する。
本発明の第1実施例のガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の運転方法について図1〜図6を用いて説明する。
図1は発電用ガスタービンプラントの全体構成を表す系統図である。
図1に示したガスタービンプラント9において、発電用ガスタービンは、吸い込み空気15を加圧して高圧空気16を生成する圧縮機1と、圧縮機1で生成した高圧空気16とガス燃料50とを混合して燃焼させて高温燃焼ガス18を生成するガスタービン燃焼器2と、ガスタービン燃焼器2で生成した高温燃焼ガス18によって駆動されるタービン3と、タービン3の駆動によって回転され電力を発生させる発電機8と、前記圧縮機1、タービン3及び発電機8を一体に連結するシャフト7によって構成されている。
そして、前記ガスタービン燃焼器2は、ケーシング4の内部に格納されている。また、ガスタービン燃焼器2は、その頭部に複数の燃料ノズル25で構成されたマルチバーナ6を備え、このマルチバーナ6の下流側となるガスタービン燃焼器2の内部に、高圧空気と燃焼ガスとを隔てる概略円筒状の燃焼器ライナ10を備えている。前記燃焼器ライナ10の内部には、高圧空気16とガス燃料50とを混合して燃焼させて高温燃焼ガス18を生成する燃焼室5が形成されている。
この燃焼器ライナ10の外周には、高圧空気を流下させる空気流路を形成する外周壁となる概略円筒状のフロースリーブ11が配設されており、前記フロースリーブ11の直径は前記燃焼器ライナ10の直径よりも大径に形成されて、この燃焼器ライナ10に対してほぼ同心円の円筒状となるように配設されている。
前記燃焼器ライナ10の下流側には、ガスタービン燃焼器2の燃焼室5で発生した高温燃焼ガス18をタービン3に導くための尾筒内筒12が配設されている。
また、この尾筒内筒12の外周側の位置となる前記フロースリーブ11の下流側には、尾筒外筒13が配設されている。
吸い込み空気15は、圧縮機1によって圧縮された後に高圧空気16となる。高圧空気16は、ケーシング4内に充満した後、尾筒内筒12と尾筒外筒13の間の空間に流入し、尾筒内筒12を外壁面から対流冷却する。
さらにこの高圧空気16は、フロースリーブ11と燃焼器ライナ10との間に形成された環状の流路を通ってガスタービン燃焼器2の頭部に向かって流れる。高圧空気16は流れる途中で、燃焼器ライナ10の対流冷却に使用される。
燃焼器ライナ10を対流冷却した後、高圧空気16は燃焼用空気としてガスタービン燃焼器2の燃焼室5の上流側壁面に位置する空気孔プレート31に設けられた多数の空気孔32から燃焼室5に流入する。
フロースリーブ11と燃焼器ライナ10との間に形成された環状の流路内には流速計測手段としてピトー管70a、70dを設け、前記燃焼用空気の流速を計測する。
多数の空気孔32から燃焼器ライナ10に流入した燃焼用空気は、マルチバーナ6を構成する複数の燃料ノズル25から噴出される燃料とともに、燃焼器ライナ10の内部に形成された燃焼室5で燃焼して高温燃焼ガス18を生成する。
前記燃焼器ライナ10の燃焼室5で燃焼して生成した高温燃焼ガス18は、尾筒内筒12を通じてタービン3に供給され、このタービン3を駆動する。
高温燃焼ガス18はタービン3を駆動した後に該タービン3から排出されて排気ガス19となる。
タービン3で得られた駆動力は、シャフト7を通じて圧縮機1及び発電機8に伝えられる。タービン3で得られた駆動力の一部は、圧縮機1を駆動して空気を加圧し高圧空気を生成する。また、タービン3で得られた駆動力の他の一部は、発電機8を回転させて電力を発生させる。
前記ガスタービン燃焼器2における複数の燃料ノズル25で構成されたマルチバーナ6には、図1に示したように燃料50を供給する燃料系統51〜53の3つの燃料系統が配設されている。
燃料系統51〜53には燃料流量調整弁61〜63がそれぞれ備えられており、燃料系統51〜53を通じて供給される燃料50の流量は、制御装置100からの制御信号74a、74dに基づいて前記燃料流量調整弁61〜63の弁開度を操作することによって調節され、ガスタービンプラント9の発電量が制御される。
制御装置100はピトー管70a、70dが計測した空気流速情報72a、72dを取得し、制御信号74a、74dを通じて燃料流量調整弁62、63の弁開度を調整する。
また、燃料系統51〜53に分岐する上流側に配設された燃料系統には、燃料50の供給を遮断するための燃料遮断弁60が備えられている。
次に本実施例であるガスタービン燃焼器2のマルチバーナ6と、ピトー管70a、70dと、制御装置100と、燃料系統51〜53と、燃料流量調整弁61〜63の配置状況の詳細を図2の部分断面図に示し、空気孔プレート31を燃焼室5側から見たガスタービン燃焼器2の正面図を図3に示す。
図2及び図3に示すように、本実施例のガスタービン燃焼器2における複数の燃料ノズル25を備えたマルチバーナ6は、円盤状の空気孔プレート31の中心に対応して配置された1個の中央バーナ33と、中央バーナ33の外周側に位置するように前記空気孔プレート31の中心と外周との間に、相互に離間して配置された6個の外側バーナ37a〜37fから構成されている。なお、本実施例では、中央バーナ33がガスタービン燃焼器2の軸中心に位置している。
前記中央バーナ33及び外側バーナ37には、これらの中央バーナ33及び外側バーナ37をそれぞれ構成する多数の燃料ノズル25が設置されており、更に前記燃料ノズル25の上流側の位置に燃料を前記燃料ノズル25に分配する燃料ノズルヘッダ23が設置されている。
そして、前記燃料ノズル25から噴出した燃料及び空気を通過させてガスタービン燃焼器2の燃焼室5に噴出する多数の空気孔32を備えた空気孔プレート31が前記燃料ノズル25の下流側で前記燃焼室5の上流側に位置するように設置されている。
図3のガスタービン燃焼器2の正面図に示すように、前記1個の中央バーナ33、及び中央バーナ33の周囲に設置された6個の外側バーナ37a〜37fにそれぞれ設置された多数の燃料ノズル25と1対1に対応して形成した多数の空気孔32を備えた空気孔プレート31が燃焼室5を区画するように設置されている。
前記空気孔プレート31に形成した多数の空気孔32によって前記中央バーナ33及び外側バーナ37の各バーナの下流となるガスタービン燃焼器2の燃焼室5内に燃料と空気との混合流体の流れである旋回流40を形成し、この旋回流40によって生じた循環流41によってガスタービン燃焼器2の燃焼室5内で燃料が燃焼して形成された火炎42を保炎している。
本実施例のガスタービン燃焼器2において、空気孔プレート31の中心領域に1個配置した中央バーナ33は、多数の燃料ノズル25によって構成されており、これらの燃料ノズル25に対して燃料を供給する燃料系統51が接続するように配設されている。更に空気孔プレート31の周辺領域に6個設置した外側バーナ37a〜37fも、多数の燃料ノズル25によって構成されており、これらの燃料ノズル25に対して燃料を供給する燃料系統52、53が接続するように配設されている。
フロースリーブ11と燃焼器ライナ10との間に形成された環状の流路内にはピトー管70a〜70fが配設されている。図3に示すようにピトー管70a〜70fは空気孔プレート31の外周に設けられた外側バーナ37の外周に配設されており、外側バーナ37a〜37fに流入する燃焼用空気の流速分布を計測する。
なお、図2はマルチバーナ6の側断面図であり、側断面上に位置しない外側バーナ37b、37c、37e、37fは図示していない。制御装置100は例えばピトー管70a、70dが計測した空気流速情報72a、72dを取得し、燃料流量調整弁61、63の弁開度を調整する。
次に本実施例のガスタービン燃焼器2における制御方法について、図4〜図6を用いて説明する。
図4は本発明適用前のガスタービン燃焼器運転時の外側バーナ37a〜37fでの空気流速viと燃料流量F2iと各外側バーナの燃空比(以下、セクタ燃空比と記載)F2i/A2iの各運転状態量を示した棒グラフである。ここで添字i=1〜6とし、複数個設けた外側バーナ37(F2−i)ごとの運転状態量を区別する。
図1に示した燃焼器2の空気導入部となる尾筒外筒13においては、周方向にわたり流入する空気流量に偏りが生じる場合がある。
本実施例では外側バーナ37dが設けられた周方向位置に流入する空気流量が少なく、外側バーナ37aが設けられた周方向位置に流入する空気流量が多い場合について説明する。この場合、図3でピトー管70dに隣接する外側バーナ37dに供給される燃焼用空気流量が減少し、ピトー管70aに隣接する外側バーナ37aに供給される燃焼用空気流量が増加する。
図4に示した空気流速viは外側バーナ37a〜37fの各外周部で計測した流速を示す。外側バーナ37d(F2−4)では平均流速102に比べて流速が低下しており、外側バーナ37a(F2−1)では平均流速102に比べて流速が増加している。
各外側バーナ37に供給される燃料流量F2iは、ガスタービンの定格負荷における規定燃料流量104に設定されており、外側バーナ37a(F2−1)〜37f(F2−6)で燃料流量F2iは同一に設定される。
上記の結果、外側バーナ37d(F2−4)のセクタ燃空比F24/A24は、ガスタービンの定格負荷における規定燃空比106を超えることになる。一方、外側バーナ37a(F2−1)のセクタ燃空比F21/A21は、ガスタービンの定格負荷における規定燃空比106を下回ることになる。
セクタ燃空比F24/A24が上昇することで、燃焼器ライナ10の外側バーナ37d(F2−4)が設けられた周方向位置のメタル温度が局所的に上昇することとなる。一方、燃空比F21/A21は低下し、燃焼器ライナ10の外側バーナ37a(F2−1)が設けられた周方向位置のメタル温度が局所的に低下することになる。
この場合、燃焼器ライナ10の周方向にわたって温度偏差が大きくなり、熱応力の発生により、燃焼器ライナ10の構造信頼性が低下する。更に外側バーナ37d(F2−4)の局所火炎温度が上昇することにより、NOxが上昇することになる。
図5は本実施例のガスタービン燃焼器運転時の各外側バーナ37での空気流速viと燃料流量F2iとセクタ燃空比F2i/A2iの各運転状態量を示した棒グラフである。
前記の通り、各外側バーナ37に供給される燃料流量F2iをガスタービンの定格負荷における規定燃料流量104に設定した場合、外側バーナ37d(F2−4)のセクタ燃空比F24/A24は、ガスタービンの定格負荷における規定燃空比106を超えることになる。一方、外側バーナ37a(F2−1)のセクタ燃空比F21/A21は、ガスタービンの定格負荷における規定燃空比106を下回ることになる。
そこで本実施例では空気流速viに基づき、燃料流量F2iを調整することでセクタ燃空比F2i/A2iの適正化を行う。
図4にはセクタ燃空比F2i/A2iの適正燃空比範囲108を示す。外側バーナ37d(F2−4)のセクタ燃空比F24/A24は適正燃空比範囲108の上限を超えている。そこで、外側バーナ37d(F2−4)に供給される燃料流量82dを低減することで、セクタ燃空比F24/A24を適正燃空比範囲108内に収める。
図5に示すように、外側バーナ37d(F2−4)を燃料流量86dまで低減することでセクタ燃空比F24/A24を適正燃空比範囲108に収めることができる。また外側バーナ37a(F2−1)を燃料流量86aまで増加させることで、セクタ燃空比F21/A21を適正燃空比範囲108に収めることができる。
図6は本実施例のガスタービン燃焼器の制御方法のフローチャートである。以下、本実施例の制御方法の詳細についてステップごとに説明する。なお、本制御は制御装置100を用いて行なっても良い。
ガスタービン燃焼器の運転情報として、制御装置100はピトー管70a〜70fにより空気流速viを計測する(ステップ1)。
空気流速viに基づき、セクタ燃空比F2i/A2iを算出する(ステップ2)。
セクタ燃空比F2i/A2iは式1で算出する。ここでF2iは燃料流量、A2iは外側バーナの燃焼用空気流量、A2は全外側バーナの燃焼用空気流量、Qは燃焼器1缶当りの供給空気流量、viは流速、A1は中心バーナの燃焼用空気流量、nは外側バーナ数である。
流速の計測対象である、フロースリーブ11と燃焼器ライナ10との間に形成された環状の流路内を流れる空気には、中心バーナ及び外側バーナに供給される燃焼用空気が含まれる。このため、全外側バーナの燃焼用空気流量A2を得るには、燃焼缶1個当りの供給空気流量Qから、運転計画上既知である中心バーナの燃焼用空気流量A1を差し引く必要がある。
全外側バーナの燃焼用空気A2は計測した周方向の流速分布に基づいて、各周方向から分布をもって外側バーナ37に流入することから、セクタ燃空比F2i/A2iは式1で算出される。
次にステップ2で算出したセクタ燃空比F2i/A2iが適正値の範囲外であるかを判断する。適正値には上限値と下限値を設けることで適正値の範囲を設定する。セクタ燃空比が適正値の範囲内であればステップ1に戻り、範囲外であればステップ4に進む(ステップ3)。
セクタ燃空比F2i/A2iを適正値の範囲内に収めるために、燃料流量調整弁を調整し、燃料流量F2iを制御する。セクタ燃空比F2i/A2iが適正値の上限を超える場合であれば燃料流量F2iを低減し、下限を下回る場合には燃料流量F2iを増加する(ステップ4)。
ステップ4で調整したセクタ燃空比F2i/A2iが適正値の範囲内であるかを判断する。範囲外であればステップ4に戻る(ステップ5)。範囲内であれば燃料流量の調整を終了する(ステップ6)。
なお、本実施例では燃空比の適正範囲を設定して制御する場合について説明したが、燃空比をより厳密に管理する必要がある場合は、適正範囲ではなく適正値を設定して制御しても良い。但し、適正値を設定して制御する場合、適正範囲を設定して制御する場合よりも制御の負担が増加する恐れがある点には留意が必要である。
以上の通り、燃焼器ライナとフロースリーブとの間に形成された環状流路内に、流下する空気の流速を測定する流速計測手段を備え、この流速計測手段で計測した環状流路内の空気流速に応じて、外側バーナに供給する燃料流量を調節する制御装置を備えた本実施例によれば、マルチバーナを搭載したガスタービン燃焼器において、バーナごとの局所燃空比を考慮した運転が可能となる。バーナごとの局所燃空比に応じて燃料流量を調節してバーナごとの局所燃空比を適正化することで、NOxの上昇とライナメタル温度の局所的な上昇を共に抑制したガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法が実現できる。
更に本実施例では、流速計測手段が、外側バーナと同数設置されると共に、ガスタービン燃焼器の周方向についての位相が前記外側バーナと同位相となる位置に設置されているため、運転時における環状流路内の空気流速分布を正確に把握することが可能となる。これにより、外側バーナに流入する空気量をより正確に把握し、バーナごとの局所燃空比を適正化してNOxの上昇とライナメタル温度の局所的な上昇をより確実に抑制することができる。
図7は本発明の第2実施例であるガスタービン燃焼器における空気孔プレート部分を燃焼室側から見た断面図である。本実施例では、流速計測手段であるピトー管70の本数を削減しており、マルチバーナ6の背側のピトー管70a、腹側のピトー管70d、背側と腹側以外のピトー管70g、70hが配設されている。
なお、外側バーナ37bと外側バーナ37cは上下対称構造のため、ピトー管70gで2つのセクタの流速を代表して計測してもよい。この場合、ピトー管70h側の外側バーナの燃空比の算出には、ピトー管70gで計測した流量情報用いる。このように一つのピトー管70gで計測した流速情報をピトー管70h側の外側バーナの燃空比の算出にも用いることで、より簡易な構造及び制御で燃空比を調節し、NOxの上昇とライナメタル温度の局所的な上昇を抑制することが可能である。
図8はピトー管削減時の変形例である。流入する空気流量の偏りが構造上予め分かっている場合には、流入する空気流量が最大と最低になる2点で流速を代表して計測してもよい。本実施例ではピトー管70a、70dで代表している。この場合、2点のみの計測で良いため、更に簡易な構造及び制御で燃空比を調節し、NOxの上昇とライナメタル温度の局所的な上昇を抑制することが可能である。
本実施例によっても、マルチバーナを搭載したガスタービン燃焼器において、バーナごとの局所燃空比を適正化することで、NOxの上昇とライナメタル温度の局所的な上昇を共に抑制したガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法が実現できる。
図9は第3実施例であるケーシングへのガスタービン燃焼器の配置図である。本実施例では多缶式燃焼器方式のガスタービン燃焼器において、圧縮機出口から各燃焼缶へ空気を分配するケーシング部分におけるマルチバーナ6(燃焼缶)の配置方法を示す。
本実施例では配置された全てのマルチバーナ6a〜6hにおいて、フロースリーブ11と燃焼器ライナ10との間に形成された環状の流路内の流速分布に基づいて燃料流量を調節する。各マルチバーナ6はピトー管70を内周側に1つずつ、外周側に1つずつの、合計2つずつ備えている。
図10は第3実施例の変形例である。本変形例ではマルチバーナ6のケーシング4への配置位置に応じて、フロースリーブ11と燃焼器ライナ10との間に形成された環状の流路内の流速を計測するマルチバーナ6の数を削減し、マルチバーナ6a、6d、6gの3つとしている。周状に配置したマルチバーナ6においては、向かい合ったマルチバーナ6同士で類似した流動特性を示すため、向かい合うマルチバーナ6の一方の流速分布に基づき、両者の燃料流量を制御してもよい。
本実施例によっても、マルチバーナを搭載したガスタービン燃焼器において、バーナごとの局所燃空比を適正化することで、NOxの上昇とライナメタル温度の局所的な上昇を共に抑制したガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法が実現できる。
なお、本実施例では、各燃焼缶として図8に示したガスタービン燃焼器を適用した場合を示したが、例えば図3や図7に示したガスタービン燃焼器を適用しても良い。
また、以上の各実施例では、空気の流速計測手段の一例としてピトー管を用いる場合を説明したが、流速計測手段はピトー管に限らず、種々の流速計を適用可能である。
1:圧縮機、2:ガスタービン燃焼器、3:タービン、4:ケーシング、5:燃焼室、6、6a〜6h:マルチバーナ、7:シャフト、8:発電機、9:ガスタービンプラント、10:燃焼器ライナ、11:フロースリーブ、12:尾筒内筒、13:尾筒外筒、15:吸い込み空気、16:高圧空気、17:燃焼用空気、18:高温燃焼ガス、19:排気ガス、23:燃料ノズルヘッダ、25:燃料ノズル、31:空気孔プレート、32:空気孔、33:中央バーナ、37、37a〜37f:外側バーナ、40:旋回流、41:循環流、42:火炎、50:燃料、51〜53:燃料系統、60:燃料遮断弁、61〜63:燃料流量調節弁、70、70a〜70h:ピトー管、72a、72b:空気流速情報、74a、74b:制御信号、80a〜80f:空気流速、82a〜82f、86a、86d:燃料流量、84a〜84f、88a、88d:セクタ燃空比、100:制御装置、102:平均流速、104:ガスタービンの定格負荷における規定燃料流量、106:ガスタービンの定格負荷における規定燃空比、108:適正燃空比範囲
Claims (9)
- 燃料と空気とを混合し燃焼させる燃焼室を形成する燃焼器ライナと、
前記燃焼室の上流側に位置し、前記燃焼室に燃料を供給する複数のバーナとを備え、
これらの複数のバーナは、中央バーナと、該中央バーナの周囲に複数個設置された外側バーナとから構成され、
前記複数個の外側バーナにはそれぞれ燃料供給系統が配設され、前記燃料供給系統にはそれぞれ燃料流量調整弁が設けられ、
前記燃焼器ライナの外周に円筒状のフロースリーブを備え、
前記燃焼器ライナと前記フロースリーブとの間に形成された環状流路内に、流下する空気の流速を測定する流速計測手段が一つ以上配設され、
前記流速計測手段で計測した前記環状流路内の空気流速に応じて、前記外側バーナに供給する燃料流量を調節する制御装置を備えたことを特徴としたガスタービン燃焼器。 - 請求項1に記載のガスタービン燃焼器において、
前記制御装置は、前記流速計測手段で計測した流速情報に基づいて前記外側バーナの燃空比を算出し、前記燃空比に応じて燃料流量を調節することを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 請求項1又は2に記載のガスタービン燃焼器において、
前記流速計測手段が、前記環状流路内の空気流速の分布において、空気流速が最大と最小となる2点に設けられていることを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 請求項1又は2に記載のガスタービン燃焼器において、
一つの前記流速計測手段で計測した流速情報を、複数の前記外側バーナの燃空比の算出に用い、前記燃空比に応じて燃料流量を調節することを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 請求項1又は2に記載のガスタービン燃焼器において、
前記流速計測手段が、前記外側バーナと同数設置されると共に、ガスタービン燃焼器の周方向についての位相が前記外側バーナと同位相となる位置に設置されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 複数の燃焼缶を備えた多缶式のガスタービン燃焼器であって、
圧縮機出口から複数の前記燃焼缶へ空気を分配するケーシングを備え、
前記ケーシングには複数の前記燃焼缶が周方向に配設され、
前記燃焼缶は、燃料と空気とを混合し燃焼させる燃焼室を形成する燃焼器ライナと、前記燃焼室の上流側に配置された前記燃焼室に燃料を供給する複数のバーナとを備え、該複数のバーナが、中央バーナと、該中央バーナの周囲に複数個設置された外側バーナとから構成されており、
少なくとも一つ以上の前記燃焼缶として、請求項1〜5のいずれかに記載のガスタービン燃焼器を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 請求項6に記載のガスタービン燃焼器において、
前記燃焼缶として、前記流速計測手段を備えた燃焼缶と、前記流速計測手段を備えていない燃焼缶とを備え、
前記流速計測手段を備えた燃焼缶の空気流速分布に基づいて、前記流速計測手段を備えていない燃焼缶の前記外側バーナに供給する燃料流量を調節することを特徴としたガスタービン燃焼器。 - 燃料と空気とを混合し燃焼させる燃焼室を形成する燃焼器ライナと、前記燃焼室の上流側に配置された前記燃焼室に燃料を供給する複数のバーナと、前記燃焼器ライナの外周に円筒状のフロースリーブとを備え、該複数のバーナが、中央バーナと、該中央バーナの周囲に複数個設置された外側バーナとから構成され、前記複数個の外側バーナにそれぞれ燃料供給系統が配設され、前記燃料供給系統にそれぞれ燃料流量調整弁が設けられたガスタービン燃焼器の制御方法であって、
前記燃焼器ライナと前記フロースリーブとの間に形成された環状流路内を流下する空気の流速を計測し、計測した前記環状流路内の空気流速に応じて、前記外側バーナに供給する燃料流量を調節することを特徴とするガスタービン燃焼器の制御方法。 - 請求項8に記載のガスタービン燃焼器の制御方法であって、
計測した前記環状流路内の空気流速に基づいて前記外側バーナの燃空比を算出し、前記燃空比に応じて、前記外側バーナに供給する燃料流量を調節することを特徴とするガスタービン燃焼器の制御方法。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013221722A JP2015083779A (ja) | 2013-10-25 | 2013-10-25 | ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法 |
EP20140190056 EP2865945A1 (en) | 2013-10-25 | 2014-10-23 | Gas turbine combustor and gas turbine combustor control method |
US14/522,006 US20150113998A1 (en) | 2013-10-25 | 2014-10-23 | Gas Turbine Combustor and Gas Turbine Combustor Control Method |
CN201410575173.6A CN104566464A (zh) | 2013-10-25 | 2014-10-24 | 燃气轮机燃烧器及燃气轮机燃烧器的控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013221722A JP2015083779A (ja) | 2013-10-25 | 2013-10-25 | ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015083779A true JP2015083779A (ja) | 2015-04-30 |
Family
ID=51753135
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013221722A Pending JP2015083779A (ja) | 2013-10-25 | 2013-10-25 | ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20150113998A1 (ja) |
EP (1) | EP2865945A1 (ja) |
JP (1) | JP2015083779A (ja) |
CN (1) | CN104566464A (ja) |
Families Citing this family (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9709279B2 (en) * | 2014-02-27 | 2017-07-18 | General Electric Company | System and method for control of combustion dynamics in combustion system |
US9272905B2 (en) * | 2014-02-27 | 2016-03-01 | Honeywell International, Inc. | Method for optimizing down fired reforming furnaces |
CN104976616B (zh) * | 2015-08-05 | 2018-05-18 | 中国东方电气集团有限公司 | 带水冷壁的低热值燃气高温空气燃烧炉 |
US11067279B2 (en) | 2016-05-12 | 2021-07-20 | Siemens Energy Global GmbH & Co. KG | Method of selective combustor control for reduced emissions |
PL3301362T3 (pl) | 2016-09-30 | 2020-08-24 | Siemens Aktiengesellschaft | Sposób regulacji przepływów turbulentnych |
EP3301363B1 (de) * | 2016-09-30 | 2019-08-28 | Siemens Aktiengesellschaft | Verbrennungseinrichtung mit brenner und einer vorrichtung zur durchflussmessung von turbulenten strömungen |
JP6822868B2 (ja) * | 2017-02-21 | 2021-01-27 | 三菱重工業株式会社 | 燃焼器及びガスタービン |
JP7489759B2 (ja) | 2018-11-20 | 2024-05-24 | 三菱重工業株式会社 | 燃焼器及びガスタービン |
US11859818B2 (en) * | 2019-02-25 | 2024-01-02 | General Electric Company | Systems and methods for variable microchannel combustor liner cooling |
JP2021055971A (ja) * | 2019-10-01 | 2021-04-08 | 三菱パワー株式会社 | ガスタービン燃焼器 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH062847A (ja) * | 1992-06-22 | 1994-01-11 | Hitachi Ltd | ガスタービン燃焼器 |
JPH06323165A (ja) * | 1993-05-17 | 1994-11-22 | Hitachi Ltd | ガスタービン用制御装置及び制御方法 |
JP2012041919A (ja) * | 2010-07-23 | 2012-03-01 | Hitachi Ltd | 燃焼器の制御方法及び制御装置 |
JP2013044234A (ja) * | 2011-08-22 | 2013-03-04 | Hitachi Ltd | 燃焼器、ガスタービン及び燃焼器の燃料制御方法 |
JP2013155626A (ja) * | 2012-01-27 | 2013-08-15 | Hitachi Ltd | ガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法 |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3020717A (en) * | 1958-01-16 | 1962-02-13 | North American Aviation Inc | Uniform fuel-air ratio fuel injection system |
US6813889B2 (en) * | 2001-08-29 | 2004-11-09 | Hitachi, Ltd. | Gas turbine combustor and operating method thereof |
US8037688B2 (en) | 2006-09-26 | 2011-10-18 | United Technologies Corporation | Method for control of thermoacoustic instabilities in a combustor |
JP4959620B2 (ja) * | 2007-04-26 | 2012-06-27 | 株式会社日立製作所 | 燃焼器及び燃焼器の燃料供給方法 |
-
2013
- 2013-10-25 JP JP2013221722A patent/JP2015083779A/ja active Pending
-
2014
- 2014-10-23 EP EP20140190056 patent/EP2865945A1/en not_active Withdrawn
- 2014-10-23 US US14/522,006 patent/US20150113998A1/en not_active Abandoned
- 2014-10-24 CN CN201410575173.6A patent/CN104566464A/zh active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH062847A (ja) * | 1992-06-22 | 1994-01-11 | Hitachi Ltd | ガスタービン燃焼器 |
JPH06323165A (ja) * | 1993-05-17 | 1994-11-22 | Hitachi Ltd | ガスタービン用制御装置及び制御方法 |
JP2012041919A (ja) * | 2010-07-23 | 2012-03-01 | Hitachi Ltd | 燃焼器の制御方法及び制御装置 |
JP2013044234A (ja) * | 2011-08-22 | 2013-03-04 | Hitachi Ltd | 燃焼器、ガスタービン及び燃焼器の燃料制御方法 |
JP2013155626A (ja) * | 2012-01-27 | 2013-08-15 | Hitachi Ltd | ガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20150113998A1 (en) | 2015-04-30 |
EP2865945A1 (en) | 2015-04-29 |
CN104566464A (zh) | 2015-04-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2015083779A (ja) | ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の制御方法 | |
US9631816B2 (en) | Bundled tube fuel nozzle | |
JP6240433B2 (ja) | 燃焼ダイナミックスを低減するためのシステム及び方法 | |
EP2481986B1 (en) | Gas turbine combustor | |
JP5544141B2 (ja) | ガスタービンにおける統合型燃焼器−第1段ノズル並びに関連する方法 | |
JP5458121B2 (ja) | ガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法 | |
US10094568B2 (en) | Combustor dynamics mitigation | |
EP2458283B1 (en) | Gas turbine combustor and fuel supply method used for the same | |
WO2011077762A1 (ja) | 燃焼バーナおよびこの燃焼バーナを備えるボイラ | |
JP2016194405A (ja) | タービンシステム用のマイクロミキサシステム及びその関連する方法 | |
EP2634487A2 (en) | System and method for reducing combustion dynamics in a combustor | |
JP2016118201A (ja) | 燃焼器内で冷却空気を利用するシステム及び方法 | |
JP2015534632A (ja) | 改良された操作性のための半径方向に段付けされた予混合されるパイロットを備える燃焼器 | |
JP2010169076A (ja) | ベンチュリ冷却システム | |
TW201638530A (zh) | 具混合器之連續燃燒室裝置 | |
JP4961415B2 (ja) | ガスタービン燃焼器 | |
JP2008151441A (ja) | 希薄予混合型燃焼装置とその制御方法 | |
US20140157788A1 (en) | Fuel nozzle for gas turbine | |
JP2011111964A (ja) | ガスタービン燃焼器 | |
JP4386195B2 (ja) | 二流体サイクル用低NOx燃焼器とその運転方法 | |
JP7132096B2 (ja) | ガスタービン燃焼器 | |
JP6068117B2 (ja) | 燃焼器 | |
US20200018232A1 (en) | Independently controlled three stage water injection in a diffusion burner | |
US20160201559A1 (en) | Tubular combustion chamber having a flame tube end region and gas turbine | |
JP6182395B2 (ja) | ガスタービン燃焼器及びその制御方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20160902 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20170524 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20170530 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20171205 |