JP2667609B2 - ガスタービン制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービンの制御装置
に係り、特にガスタービンからの公害排出物ＮＯｘおよ
びＣＯの低減化を目的とするガスタービンの制御装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、環境汚染防止の立場からガスター
ビンの排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度の規制が行なわれ
ている。また、燃焼効率向上のためには排ガス中のＣＯ
濃度低減も要望されている。そこで、ＮＯｘおよびＣＯ
の発生量を最小限に抑えるとともに、燃焼振動や気柱振
動を低減させる方法として、最近予混合燃料供給系を複
数系統設けた燃焼方式が提案されている。

【０００３】図６は、予混合燃焼方式を採用したガスタ
ービン装置の概略構成図であって、圧縮機１によって圧
縮された大気は高圧空気となって燃焼器２に流入する。
燃焼器２は予混合燃焼方式を適用したものであり、所要
種類の燃料を燃焼器２に供給する複数系統の予混合燃料
供給系、例えばＦａ，Ｆｂの２つの系統を有する。これ
らの系統Ｆａ，Ｆｂの燃料はそれぞれ燃料流量計３ａ，
３ｂおよび燃料制御弁４ａ，４ｂを介して、燃焼器２の
予混合室に供給され、その間、燃料流量計３ａ，３ｂに
よって各系統の燃料供給量を検出するとともに、各燃料
制御弁４ａ，４ｂの開度を制御することによって燃料供
給量を調整するようになっている。

【０００４】燃焼器２の予混合室に供給された燃料は圧
縮機１によって圧縮された空気と混合し、燃焼器内で燃
焼し高温ガスとなる。燃焼器２で発生した高温ガスは、
発電機等の被駆動機５を直結したタービン６に送給さ
れ、そこで仕事を行ない、圧縮機１を駆動するとともに
被駆動機５を駆動し、タービン６からの排ガスは熱交換
器７等を経てスタック８から大気中に放出される。

【０００５】ところで、燃焼器２の下流側ガス流路に
は、気柱振動および燃焼振動を検出する圧力センサ10
と、燃焼器２で発生する高温ガスの温度を燃焼器２の出
口で検出する温度センサからなる負荷検出器11とがそれ
ぞれ配設されており、さらにタービン６の下流側ガス流
路にはタービン排ガスセンサ12が配設されている。

【０００６】圧力センサ10および負荷検出器11からの検
出信号はそれぞれ信号変換器13，14を介して燃料制御器
15の計算機16に入力されており、さらに排ガスセンサ12
によってサンプリングされたサンプリングガスは排ガス
分析器17により分析されＮＯｘおよびＣＯ濃度がそれぞ
れ検出され、その排ガス分析器17からの検出出力が変換
器18を介して燃焼制御器15の計算機16に入力される。さ
らに、計算機16には流量計３ａ，３ｂの出力信号がそれ
ぞれ信号変換器１９ａ，１９ｂを介して入力されてい
る。一方、計算機16の出力信号は各変換器２０ａ，２０
ｂを介して燃料制御弁４ａ，４ｂのアクチュエータに入
力せしめられている。

【０００７】ところで、タービン負荷に応じて燃焼器２
に供給すべき燃料の所要供給量ｆａ，ｆｂを各予混合燃
料供給系Ｆａ，Ｆｂに対応させて設定した燃料供給パタ
ーンを有する関数発生器が計算機16に内蔵されている。

【０００８】各燃料の所要供給量ｆａ，ｆｂは、図７に
示すように、燃料供給開始順序をタービン負荷の増加方
向に向けて順に設定し、かつ各系により併行に供給する
ようになっている。また、Ｆｂの予混合燃料供給系の燃
料供給開始時である第１の負荷設定点Ｃ１は、所要のタ
ービン負荷値にそれぞれ移動可能に設定されている。

【０００９】すなわち、第１の負荷設定点Ｃ１ではこの
時点までに燃料供給中の予混合燃料供給系Ｆａの燃料供
給量を階段状に所要量減少させ（実線）、この減少分を
次順の予混合燃料供給系Ｆｂの燃料供給開始の立上り供
給量に一致させ、以降はＦａ，Ｆｂの両系統で同時に燃
料を供給する。これら各燃料所要供給量ｆａ，ｆｂの所
要のタービン負荷における合計量は、図７中の１点鎖線
で示す総燃料供給量ｆｔに一致している。

【００１０】総燃料供給量ｆｔは燃料の種類や運転方法
等により相違する燃料供給量をタービン負荷に応じて設
定したものであり、この総燃料供給量ｆｔを各燃料供給
系Ｆａ，Ｆｂに所要の比率で分割し、分担させたものが
各燃料所要供給量ｆａ，ｆｂである。

【００１１】燃焼振動の値が目標値以上であったり、Ｎ
ＯｘやＣＯ濃度が目標濃度以内におさまらない場合に
は、燃料供給パターンを変更し、目標値以内となる様に
なっている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した２
段式燃焼方式では、高い精度で燃料制御弁を制御できる
という利点はあるものの、そのためには燃料流量ｆａ，
ｆｂを高い精度で計測する必要がある。また、一般に高
精度の流量計として、オリフィス式流量計が使用される
ため、流量計の前後に十分な長さの直管部が必要とな
る。

【００１３】しかしながら、燃料流量計測用の直管部
が、燃料制御弁と燃焼器の間に設けられると、その間の
配管内容積が増加するため、負荷遮断時において燃料制
御弁が無負荷相当開度迄急閉しても、タービンに流入す
るエネルギも増加し、タービンがオーバースピードしや
すくなる。

【００１４】また、一般に、防爆対策上ガス燃料弁や配
管部の流量計の周囲をエンクロージャにて囲んで、ブロ
アーにて、エンクロージャ内部を負圧状態とし、換気さ
せなければならないが、流量計の設置に伴い直管部が長
くなるほど、エンクロージャ容積が増えると共に、ブロ
アー容量も増加させなければならないという設備的な問
題があった。このため、上述の制御方式よりも、制御精
度は優れてはいなくても簡便な２段燃焼方式の制御方法
が望まれていた。

【００１５】本発明はこのような点を鑑み、複数の予混
合燃料系を有するガスタービンプラントにおいて、上述
の如き問題点を除去し、ガスタービンの安定した運転を
行ない得る様にしたガスタービン制御装置を得ることを
目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明のガスタービン制
御装置は、燃焼器への予混合燃料供給系の分配比をガス
タービン運転状態のパラメータである圧縮機入口温度，
圧縮機出口圧力，タービン排気温度，タービン負荷およ
び燃焼器空気供給量の各値と圧縮機およびタービン特性
値とから算出される燃焼器出口温度より求める分配比演
算部と、上記分配比より燃料分配弁の開度を求める開度
演算部とを有することを特徴としている。

【００１７】

【作用】これにより、ガスタービンの運転状態を表わす
諸パラメータより燃焼器出口温度を求め、その燃焼器出
口温度に適した燃焼器への予混合燃料の燃料分配比を求
めることにより、燃焼器への燃料分配を制御することが
できる。

【００１８】すなわち、ガスタービンの運転状態を表わ
す圧縮機入口温度、圧縮機出口圧力、タービン排気温
度、タービン負荷（燃料制御弁開度）および燃焼器空気
供給量（圧縮機入口案内翼駆動装置変位）より、燃焼器
出口温度を求め、これより予め、燃焼器出口温度に対し
て、適当に設定された２段燃焼方式の予混合燃料供給比
を算出し、その供給比に応じて燃料制御弁の２次側に配
設された燃料分配弁の開度を制御することにより、燃焼
器より排出されるＮＯｘおよびＣＯ濃度を低減化させる
ことができる。

【００１９】

【実施例】以下、図面に基づく本発明の実施例を説明す
る。図１は、本発明にもどづく、予混合燃焼方式を採用
したガスタービン装置の概略構成図である。大気は、温
度検出器31を経由して圧縮機１に送りこまれ、圧縮され
た後、高圧空気となって圧力検出器33を経て燃焼器２に
流入する。

【００２０】上記燃焼器では、予混合燃焼方式を適用し
たものであり、所要の燃料を燃焼器２に供給する２系統
の予混合燃料供給系（ＦａとＦｂ）を有する。これらの
系統Ｆａ，Ｆｂの燃料は、燃料止め弁23、燃料制御弁3
5、および燃料分配弁45ａ，ｂを介して燃焼器２に供給
され、その間、タービン６の負荷に相当した燃料流量を
燃料制御弁35にて制御し、燃料分配45ａ，ｂにて２系統
の燃料を適当に分配できる様になっている。

【００２１】予混合室に供給された燃料は、圧縮機１に
よって圧縮された空気と混合し、燃焼器内で燃焼し高温
ガスとなる。燃焼器２で発生した高温ガスは、発電機等
の被駆動機５を直結したタービン６に送給され、そこで
仕事を行ない、圧縮機１を駆動するとともに被駆動機５
を駆動し、タービン６からの排ガスは熱交換器７等を経
てスタック８から大気中に放出される。タービン６の下
流側ガス流路には排ガス温度検出器34が配設されてい
る。

【００２２】上記の温度検出器31，34および圧力検出器
33からの検出信号は各々信号変換器43，41，42を介し
て、燃焼制御器15の計算機16に入力されており、さら
に、燃料弁35の実開度信号と圧縮機１に流入する大気の
流量を制御するために空気圧縮機入口案内翼の角度を駆
動させる空気圧縮機入口案内翼駆動装置32（以降ＩＧＶ
と略す）からの実変位信号は各々信号変換器44，40を介
して、燃焼制御器15の計算機16に入力される。

【００２３】一方、計算機16の出力信号Ｓ1 ，Ｓ2 は各
々変換器22，38を介して燃料止め弁23と燃料制御弁35の
アクチュエータに入力せしめられている。また、出力信
号Ｔは演算部36を介したあと演算部37ａ，ｂに分配入力
され、変換器20ａ，ｂを介して燃料分配分45ａ，ｂのア
クチュエータに入力されている。

【００２４】一般に、燃焼器２の出口の燃焼温度は非常
に高温であることから、燃焼温度を直接検出することは
困難である。しかしながら、予め圧縮機とタービンの特
性が既知であれば圧縮機入口温度、圧縮機出口圧力、タ
ービン排気温度、タービン負荷（燃料流量または燃料制
御弁開度）、燃焼器空気供給量（空気圧縮機入口案内翼
角度）のパラメータより、燃焼器出口温度Ｔを求めるこ
とができる。従って、上記パラメータに相当する温度検
出器31，34、圧力検出器33、ＩＧＶ実変位信号、および
制御弁35実開度信号から計算機16内にて、燃焼器出口温
度Ｔを算出し演算部36に入力することができる。一方、
一般にタービン排ガスのＮＯｘ，ＣＯの排出量は、燃焼
器出口温度Ｔをパラメータとした予混合燃料供給量Ｆａ
とＦｂの比の関数である。

【００２５】このため、分配比演算部36において、図２
に示す様に燃焼器出口温度Ｔに対して、予混合燃料の燃
料分配比Ｆａ：Ｆｂ＝（１−ｍ）：ｍを予め適当に設定
しておけば、タービン排ガスのＮＯｘ，ＣＯ排出量を共
に低減化させることができる。この演算部36にて、ＮＯ
ｘ，ＣＯ排出量低減に最適な燃料分配比ｍが求まると、
開度演算部37ａ，ｂにおいて、図３、図４に示す様に、
予め燃焼分配弁45ａ，ｂの流量特性より求められた特性
曲線より燃料分配比ｍに相当した弁開度要求信号Ｌａ，
Ｌｂが求まる。この信号は変検器20ａ，ｂを介して、燃
料分配弁45ａ，ｂのアクチュエータに入力され、各々弁
開度が一義的に決まる。従ってそれに相当した燃料分配
比で燃焼器に燃料が供給され、ＮＯｘ，ＣＯ₂ 濃度が低
減された燃焼が行われる。

【００２６】図５に他の実施例を示す。上述の実施例で
はガスタービンが安定した状態で運転され、燃焼器入口
での燃料Ｆａ，Ｆｂの圧力が安定した場合に適用可能で
ある。ここでは、さらにその燃焼器入口の燃料圧力が変
化する場合でもＮＯｘ，ＣＯの排出濃度を低減化するた
めに燃料分配弁45ａ，ｂの前後に差圧検出器50ａ，ｂを
配設している。その検出信号を演算部51ａ，ｂに入力
し、検出された差圧が予め適当に設定された差圧と比較
され、演算部37ａ，ｂに設定されている燃料分配比ｍと
弁開度要求信号Ｌａ，ｂとの特性を補正し、弁開度要求
信号と燃料分配弁45ａ，ｂの弁開度を適当に定めること
ができる。その他の動作は上述の実施例と同様なので省
略する。

【００２７】

【発明の効果】以上の様に本発明によれば複数の予混合
燃料系を有するガスタービンプラントにおいて、排ガス
のＮＯｘ，ＣＯの低減化に関して、ガスタービンの安定
した運転を行ない得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック図

【図２】本発明の分配比演算部における燃料分配比の特
性曲線を示す特性図

【図３】本発明の開度演算部37ａにおける弁開度の特性
曲線を示す特性図

【図４】本発明の開度演算部37ｂにおける弁開度の特性
曲線を示す特性図

【図５】本発明の他の一実施例を示すブロック図

【図６】従来例を示すブロック図

【図７】従来例の特性を示す特性図

【符号の説明】

２…燃焼器、４ａ，ｂ…燃料分配弁、５…被駆動機、６
…タービン、15…燃焼制御器、16…計算機、31，34…温
度検出器、36，37ａｂ…演算部、32…空気圧縮機入口案
内翼駆動装置。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼器への予混合燃料供給系の分配比
   をガスタービン運転状態のパラメータである圧縮機入口
   温度，圧縮機出口圧力，タービン排気温度，タービン負
   荷および燃焼器空気供給量の各値と圧縮機およびタービ
   ン特性値とから算出される燃焼器出口温度より求める分
   配比演算部と、上記分配比より燃料分配弁の開度を求め
   る開度演算部とを有することを特徴としたガスタービン
   制御装置。