JP2021195876A - ガスタービンの燃焼制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかし、燃料の供給量に対して多くの水量が必要とされ、ガスタービンプラントの効率を低下させてしまう虞がある。
定格負荷時には燃焼が安定することに対して、部分負荷時には定格負荷時に比べて、供給される空気が過剰となり、リーンバーン(希薄燃焼)となって不完全燃焼を生じる虞がある。
(1)タービン翼のメタル温度が設計上限以下の値であること。
(2)燃焼振動が基準以下であること。
(3)燃焼効率が基準以上であること。
(4)排気ガスのNOx濃度が規制値以下であること。
を満たすようにタービンの運転を行って、これら(1)〜(4)の条件を満たす当量比を、予め試験や解析によって見出すものである。
まず、図2を参照してこの発明に係る燃焼制御方法の実施対象となるガスタービンの一実施例の概略を説明する。
燃焼器内筒103bの外側に導かれた圧縮空気は予混合管1に導かれて、メイン燃料の燃焼ガスと混合して混合ガスが生成され、この混合ガスが予混合管1の下部から燃焼器内筒103bの内部に噴射されて燃焼が促進され、高温・高圧の作動ガスが発生する。
燃焼器103で発生した作動ガスがタービン104に導かれて、タービン翼を回転させて主軸105を回転させる。主軸105の回転によって、圧縮機102を回転させると共に、所望の出力回転が得られる。タービン104の回転に供された作動ガスは、排気ガスとなって排気ダクト106から排出される。
例えば、タービン翼メタル温度と燃焼振動、燃焼効率、排気ガスのNOx濃度との関係から、最適な燃料の当量比を試験または解析により見出す。
図1は、縦軸に基準値を、横軸に入口ガイド翼101aの開度を示し、実線でタービン翼メタル温度が、破線で燃焼効率が、一点鎖線で燃焼振動が、二点鎖線でNOx濃度が、それぞれ示されている。また、縦軸におけるCとT、V、とは、それぞれ、安定した燃焼となる状態の当量比の燃焼効率とタービン翼メタル温度、燃焼振動のそれぞれの基準値を示している。そして、タービン翼メタル温度が基準値(設計上限値)T以下、燃焼効率が基準値C以上、燃焼振動が基準値V以下、NOx濃度が規制値以下となる入口ガイド翼101aの開度調整範囲Rを求める。なお、基準値Vに対応したIGV開度がvで、基準時Tに対応したIGV開度がtで、基準値Cに対応したIGV開度がcで、それぞれ示されている。図1に示されているように、開度調整範囲Rは、開度cと開度tの間の開度となる。そして、この安定した燃焼を維持する当量比となる際の、タービン入口ガス温度とタービン排気ガス温度との関係を求めて、この関係が前記制御装置115に登録されている。
なお、NOx濃度の規制値は、図1における開度tよりも絞られた側の値となり、開度範囲RではNOx濃度が規制値以下となる。
入口温度測定器104aによって測定されたタービン入口ガス温度と、排気温度測定器106aによって測定されたタービン排気ガス温度との測定値が制御装置115に入力される。制御装置115では、入力されたタービン入口ガス温度とタービン排気ガス温度とのいずれか一方又は双方の測定値に対する開度範囲Rとなるように駆動信号を入口ガイド翼101aのアクチュエータに出力する。これにより、入口ガイド翼101aの開度が変更され、空気の供給量が良好な燃焼を維持できる当量比となるように調整される。このため、負荷が変動して部分負荷運転となった場合でも安定した燃焼を維持でき、排気ガスのNOx濃度をほぼ一定に保つことができる。
なお、タービン入口ガス温度を測定することよりも、タービン排気ガス温度を測定する場合の方が簡易な測定器でよく、測定が簡便となるので、タービン排気ガス温度をパラメータとすることが好ましい。
また、胴部1aの下部、すなわちメイン燃料の流れの下流側は、徐々に縮径されて下部側が小径とされた筒状体の円錐形胴部1cが連続している。また、この円錐形胴部1cからは胴部1aの軸Cの方向に対して偏倚させた方向に開口1dが指向するように、傾斜管部1eが連続している。また、この開口1dは、図4に示すように、円形とされている。
これらの空気孔1a1、1a2、1a3、1a4の位置関係が、図7と図8に示されている。図7(A)は、図4における7A−7A線に沿って、軸Cと直交する面で切断した断面図で、この部分には16個の空気孔1a1が配されている。また、図7(B)は空気孔1a1の直近の下流側に配された空気孔1a2の部分で切断した、図4における7B−7B線に沿って切断した断面図で、この部分には8個の空気孔1a2が配されている。この8個の空気孔1a2は、16個の空気孔1a1に対して一つおきに軸C方向で重なる位置に配されている。また、空気孔1a2の直近の下流側に配された空気孔1a3は8個とされており、図7(B)と図7(C)に示されているように、空気孔1a2の位置と周方向に22.5°の角度でずれた位置に配されている。そして、最下流に配された空気孔1a4は、8個が周方向に配されており、図7(B)と図7(D)とに示されているように、これら空気孔1a4は空気孔1a2と軸C方向で等しい位置に配されている。
なお、空気孔1a2、1a3、1a4については、それぞれ15°ずつの角度でずれた位置に配することで、これら空気孔1a2、1a3、1a4の全てが軸Cに沿った方向でずれた位置に配するものでも構わない。
さらに、空気孔1a1、1a2、1a3、1a4のそれぞれの径を異ならせたものとすることができる。この場合、上流側に配された空気孔1a1の径を大きくすることが好ましい。また、下流側に向かって徐々に小径とすることでも、空気孔1a2、1a3、1a4の径を等しくすることでも構わない。
また、前述したように、予混合管1のそれぞれにはメイン燃料用ノズル110が配されており、このメイン燃料用ノズル110には調整弁110bを介して燃料供給管110aからメイン燃料が供給される。また、この調整弁110bを開閉させるアクチュエータには、制御装置115から駆動信号が入力される。
この予混合管1では、メイン燃料用ノズル110から噴射されたメイン燃料の燃焼ガスに対して、胴部1aに形成された空気孔1a1、1a2、1a3、1a4から圧縮空気が導入されて燃焼ガスが希釈され、予混合管1の内部で混合されて混合ガスが生成される。燃焼ガスは、メイン燃料用ノズル110による噴射直後が最も高い濃度にある。この予混合管1では、最上流側にある空気孔1a1の数が下流側の空気孔1a2、1a3、1a4の数と比べて多くしてあるから、最上流側の空気孔1a1からは多量の空気が導入される。このため、濃度の高い燃焼ガスの希釈が促進される。
また、空気孔1a2、1a3、1a4では周方向の位置をずらして配してあるため、空気孔1a2が臨んでいない位置、すなわち、周方向で隣接する空気孔1a2同士の中間の位置が臨む位置を通過する燃焼ガスには空気が導入されにくい。しかし、この空気孔1a2の下流に配された空気孔1a3は、空気孔1a2に対してずれた位置に配されているから、空気孔1a2が形成されていない部分を通過した燃焼ガスに対して空気孔1a3から導入された空気により希釈される。したがって、供給された燃焼ガスは全体として空気と均等に混合されて、所望の状態まで希釈されて燃焼に供されて、高温・高圧の作動ガスが生成される。
なお、予混合管1の下流部は胴部1aよりも小径の開口1dが形成されているから、開口1dから噴射される混合ガスの流速が大きくなる。このため、パイロット燃料の火炎に対して、高速で噴射されるので、着火した燃焼ガスの火炎が逆火することがない。
この予混合管2の胴部2aの上部には、中央部にノズル支持管11がシール11aを介して装着された、胴部2aと別体で形成された蓋体2bが設けられている。
胴部2aの下部には、上流側の上端部が胴部2aに連続する円形で下流側に向かって徐々に縮径されると共に、下流側の下端部が方形に形成された接続胴部2cが連続している。
そして、この接続胴部2cの下端部に、接続胴部2cと連続する方形の傾斜管部2eの上端部が接続されており、この傾斜管部2eの下端部の開口が軸Cの方向に対して偏倚させた方向を指向するようにしてある。すなわち、開口2dは、図10に示すように、方形とされている。
そして、タービンの負荷が変動した場合には、制御装置115からの駆動信号に基づいて、調整弁110bが開閉されて、メイン燃料を噴射するメイン燃料用ノズル110の本数が変更される。すなわち、部分負荷運転時には、噴射させるメイン燃料用ノズル110の本数を減じてメイン燃料の噴射量を減少させ、負荷の増加と共に噴射量を増加させる。
例えば、6本の予混合管1、2を配し、部分負荷運転時には2本の予混合管1、2のメイン燃料用ノズル110からメイン燃料を噴射させ、定格負荷運転時には、6本のメイン燃料用ノズル110から噴射させるようにする。
したがって、負荷の増減に応じてメイン燃料を減じることで、当量比が調整されて、良好な燃焼を維持できるものである。
これらメイン燃料用ノズル110の噴射本数の増減と、入口ガイド翼101aの開度の変更とを組み合わせて、タービンの燃焼制御を行うことにより、より安定した燃焼を維持させることができる。
他方、図13は予混合管4の上部開口4aから空気を取り入れる構造を示している。この予混合管4では、空気が上方から取り入れられる構造であるため、ガスタービン100の天蓋112と予混合管4の上部開口4aとの間の距離を大きくすることを要する。
これに対して、本願発明に係る構造を備えた予混合管1、2では側方から空気が取り入れられるため、図12に示すように、予混合管1、2の上部と天蓋112との間の距離は、小さくすることができる。
このため、ガスタービン100の高さを小さくして、ガスタービン100の小型化を図ることができる。
1a 胴部
1b 底板
1c 円錐形胴部
1d 開口
1e 傾斜管部
1a1、1a2、1a3、1a4 空気孔
11 ノズル支持管
11a シール
2 予混合管
2a 胴部
2b 蓋体
2c 接続胴部
2d 開口
2e 傾斜管部
2a1、2a2、2a3、2a4 空気孔
100 ガスタービン
101 空気吸込口
101a 入口ガイド翼
102 圧縮機
103 燃焼器
103a 燃焼器外筒
103b 燃焼器内筒
104 タービン
104a 入口温度測定器
105 主軸
106 排気ダクト
106a 排気温度測定器
110 メイン燃料用ノズル
110a 燃料供給管
110b 調整弁
111 パイロット燃料用ノズル
112 天蓋
115 制御装置
C 軸
R 開度範囲
Claims (5)
- 圧縮機と、圧縮された空気が供給される予混合燃焼による燃焼器と、燃焼ガスが供給されるタービンとを備え、
圧縮機の吸気側に入口ガイド翼が配され、
タービン入口ガス温度またはタービン排気ガス温度のいずれか一方または双方を測定し、
予め計測して設定した燃料の当量比とタービン入口ガス温度またはタービン排気ガス温度のいずれか一方または双方との関係に基づいて、
タービン入口ガス温度またはタービン排気ガス温度の測定温度に対して入口ガイド翼の開口面積を調整することを特徴とするガスタービンの燃焼制御方法。 - 圧縮機と、圧縮された空気が供給される予混合燃焼による燃焼器と、燃焼ガスが供給されるタービンとを備え、
圧縮機の吸気側に入口ガイド翼が配され、
燃焼器内筒の中央部にパイロット燃料用ノズルが配され、
このパイロット燃料用ノズルの周囲にメイン燃料用ノズルを備えた複数本の予混合管が配され、
タービン入口ガス温度またはタービン排気ガス温度のいずれか一方または双方を測定し、
予め計測して設定した燃料の当量比とタービン入口ガス温度またはタービン排気ガス温度のいずれか一方または双方との関係に基づいて、
タービン入口ガス温度またはタービン排気ガス温度の測定温度に対して入口ガイド翼の開口面積を調整することを特徴とするガスタービンの燃焼制御方法。 - 圧縮機と、圧縮された空気が供給される予混合燃焼による燃焼器と、燃焼ガスが供給されるタービンとを備え、
圧縮機の吸気側に入口ガイド翼が配され、
燃焼器内筒の中央部にパイロット燃料用ノズルが配され、
このパイロット燃料用ノズルの周囲にメイン燃料用ノズルを備えた複数本の予混合管が配され、
タービン入口ガス温度またはタービン排気ガス温度のいずれか一方または双方を測定し、
予め計測して設定した燃料の当量比とタービン入口ガス温度またはタービン排気ガス温度のいずれか一方または双方との関係に基づいて、
タービン入口ガス温度またはタービン排気ガス温度の測定温度に対してメイン燃料を噴射する予混合管の数を調整することを特徴とするガスタービンの燃焼制御方法。 - 圧縮機と、圧縮された空気が供給される予混合燃焼による燃焼器と、燃焼ガスが供給されるタービンとを備え、
圧縮機の吸気側に入口ガイド翼が配され、
燃焼器内筒の中央部にパイロット燃料用ノズルが配され、
このパイロット燃料用ノズルの周囲にメイン燃料用ノズルを備えた複数本の予混合管が配され、
タービン入口ガス温度またはタービン排気ガス温度のいずれか一方または双方を測定し、
予め計測して設定した燃料の当量比とタービン入口ガス温度またはタービン排気ガス温度のいずれか一方または双方との関係に基づいて、
タービン入口ガス温度またはタービン排気ガス温度の測定温度に対して、
入口ガイド翼の開口面積を調整すること、
または/および
メイン燃料を噴射する予混合管の数を調整すること、
を特徴とするガスタービンの燃焼制御方法。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載のガスタービンの燃焼制御方法であって、
前記当量比は、タービン翼のメタル温度と燃焼振動、燃焼効率、排気ガスのNOx濃度とのそれぞれの基準値を満たす値となる状態のタービン入口ガス温度またはタービン排気ガス温度との関係を求めて、この関係に基づいて測定温度から入口ガイド翼の開口面積を調整することを特徴とするガスタービンの燃焼制御方法。
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