JP2783009B2 - ガスタービンの制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ガスタービンの排気
組成を改善する制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの回転をアクセル開度に対
応した目標回転数となるようにフィードバック制御する
装置が、実公昭６１ー２０２６５号公報に開示されてい
る。

【０００３】また、この装置ではガスタービンのコンプ
レッサ駆動タービンの入口ガス温度とタービン回転数が
相関し、かつコンプレッサ駆動タービン入口ガス温度が
燃焼器の入口空気温度と相関することから、燃焼器入口
空気温度を検出しながらコンプレッサ駆動タービンの入
口ガス温度を推定し、入口ガス温度を目標特性に対応さ
せるように燃料供給量を制御している。

【０００４】ガスタービンの低負荷運転時やアイドル運
転時は、要求タービン回転数が低くなり、このためター
ビン入口温度も低く、これに対応して燃焼器入口空気温
度も相対的に低い状態で均衡する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ガスタービ
ンの燃焼器として、燃料を蒸発（気化）させ、空気と予
混合して希薄燃焼させるタイプがあるが、この場合、上
記したアイドル運転時等、燃焼器入口空気温度が低下す
ると、燃料の予蒸発が不完全となり、排気組成が悪化す
る傾向があった。

【０００６】燃焼器で燃料を燃焼させる前に予め蒸発さ
せておくと、ＮＯｘの発生量が低下するが、燃料の蒸発
率が低いと、未蒸発の燃料液滴が拡散燃焼を起こし、Ｎ
Ｏｘの発生量が急激に増加するのである。

【０００７】この発明は、このような問題点を解決する
ことを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、図１に示
すようにコンプレッサ７０の入口に可変案内翼７１を設
け、燃焼器７２の入口に燃料の予蒸発予混合室を設けた
ガスタービンにおいて、アクセル開度の検出手段７３
と、燃焼器７２の入口空気温度の検出手段７４と、アク
セル開度からタービン７５の目標回転数を算出する目標
回転数算出手段７６と、タービン７５の回転数が目標回
転数となるように燃焼器７２への燃料を制御する燃料制
御手段７７と、アクセル開度が設定値以下のとき燃焼器
７２の入口空気温度を所定温度に保つようにコンプレッ
サ入口可変案内翼７１を駆動制御する入口空気温度制御
手段７８とを設ける。

【０００９】第２の発明は、図２に示すようにコンプレ
ッサ８０の入口ならびにパワータービン８１の入口にそ
れぞれ可変案内翼８２，８３を設け、燃焼器８４の入口
に燃料の予蒸発予混合室を設けたガスタービンにおい
て、アクセル開度の検出手段８５と、燃焼器８４の入口
空気温度の検出手段８６と、アクセル開度からガス発生
機軸８７の目標回転数を算出する目標回転数算出手段８
８と、ガス発生機軸８７の回転数が目標回転数となるよ
うに燃焼器８４への燃料を制御する燃料制御手段８９
と、アクセル開度が設定値以下のときパワータービン８
１の回転数を所定回転数に保つようにパワータービン入
口可変案内翼８３を駆動制御する回転数制御手段９０
と、この制御時に燃焼器８４の入口空気温度を所定温度
に保つようにコンプレッサ入口可変案内翼８２を駆動制
御する入口空気温度制御手段９１とを設ける。

【００１０】第３の発明は、図３に示すようにパワータ
ービン９３の入口に可変案内翼９４を設け、燃焼器９５
の入口に燃料の予蒸発予混合室を設けたガスタービンに
おいて、アクセル開度の検出手段９６と、燃焼器９５の
入口空気温度の検出手段９７と、アクセル開度が設定値
以下のときパワータービン９３の回転数を所定回転数に
保つように燃焼器９５への燃料を制御する燃料制御手段
９８と、この制御時に燃焼器９５の入口空気温度を所定
温度に保つようにパワータービン入口可変案内翼９４を
駆動制御する入口空気温度制御手段９９とを設ける。

【００１１】

【作用】アクセル開度が小さく燃料供給量の少ないアイ
ドル運転時等、タービン入口温度が下がり、燃焼器の入
口空気温度が低くなる。

【００１２】第１の発明では、このときコンプレッサ入
口可変案内翼を小流量側に駆動し、コンプレッサの効率
を高めることで、燃焼器の入口空気温度を所定値に保
つ。

【００１３】第２の発明では、このときパワータービン
入口可変案内翼を閉じ側にならびにコンプレッサ入口可
変案内翼を小流量側に駆動することで、パワータービン
の所定回転数を保ちながらマッチング温度を高め、かつ
コンプレッサの効率を高めて、燃焼器の入口空気温度を
所定値に保つ。

【００１４】第３の発明では、このときパワータービン
入口可変案内翼を開き側に駆動して、ガス発生機軸の所
定回転数を維持することで、燃焼器の入口空気温度を所
定値に保つ。

【００１５】

【実施例】まず、第２の発明の実施例を説明する。

【００１６】図４において、１はガス発生機のコンプレ
ッサ、２はコンプレッサ１とガス発生機軸３によって連
結されたコンプレッサ駆動タービンで、予蒸発予混合燃
焼器６においてコンプレッサ１で圧縮された吸入空気と
ともに燃料を燃焼させ、この燃焼ガスによりコンプレッ
サ駆動タービン２が駆動される。

【００１７】４はコンプレッサ駆動タービン２を通過し
た燃焼ガスによって駆動されるパワータービンで、車両
等の負荷１２を駆動する。

【００１８】５は圧縮空気を加熱する再熱用の熱交換
器、７は前記燃焼器６に供給する燃料を調整する燃料調
整弁、８は燃料調整弁駆動装置、９は燃料ポンプであ
る。

【００１９】１０はパワータービン４に導く燃焼ガスの
通路を絞るパワータービン入口可変案内翼、１１はその
可変案内翼１０の角度調整機構、３１はコンプレッサ１
に導く空気に予旋回を与えるコンプレッサ入口可変案内
翼、３２はその可変案内翼３１の角度調整機構である。

【００２０】１３はアクセル開度の検出器、１５はガス
発生機軸３の回転数Ｎ_GGの検出器、１６はパワータービ
ン４の回転数Ｎ_PTの検出器、３３は燃焼器６の入口空気
温度の検出器で、これらの各検出信号はコントローラ１
８に入力し、コントローラ１８はこれらに基づいて前記
燃料調整弁７の開度（燃料供給量）、各可変案内翼１
０，３１の角度を制御する。

【００２１】図５にアイドル運転時および極低負荷運転
時のコントローラ１８の各可変案内翼１０，３１の制御
ブロックを示すと、アクセル開度からこれらの状態を判
断する低負荷およびアイドル状態判断部３５、極低負荷
およびアイドル時にパワータービン４の回転数に基づい
てパワータービン入口可変案内翼１０（ＶＮ）を駆動制
御するＶＮ駆動制御部３８、同じく極低負荷およびアイ
ドル時に燃焼器６の入口空気温度に基づいてコンプレッ
サ入口可変案内翼（ＶｉＧＶ）３１を駆動制御するＶｉ
ＧＶ駆動制御部３７からなる。

【００２２】なお、２１，２２，３４はコントローラ１
８の各出力を増幅するコンバータである。

【００２３】ここで、予蒸発予混合燃焼器６の具体例を
図６に示す。

【００２４】この燃焼器６は、コンプレッサ１および熱
交換器５を介して供給される空気を導入する空気導入孔
４０を設けたカバー４１に囲まれた予蒸発予混合室とし
ての蒸発管４２を有し、この蒸発管４２の下流端に接続
して燃焼筒４３を有している。

【００２５】蒸発管４２の複数の空気導入孔４４が形成
された周壁には、同じく図示しない空気導入孔が形成さ
れたリング状のスリーブ４５が回動自由に嵌合され、ス
リーブ４５によって空気導入孔４４の開口面積が可変と
なっている。

【００２６】蒸発管４２内の上流端部には、蒸発管４２
内に燃料を噴射する予蒸発予混合燃焼用の第１燃料噴射
ノズル４６が装着され、燃焼筒４３との接続部である蒸
発管４２下流端部には、蒸発管４２中心部にブラケット
４７を介して支持された火炎保持用のセンタボディ４８
に装着されて拡散燃焼用の第２燃料噴射ノズル４９が設
けられている。

【００２７】アイドル運転時等、第１燃料噴射ノズル４
６から蒸発管４２内に噴射された燃料は、空気導入孔４
０から導入される空気の温度によって蒸発管４２内で予
蒸発し、空気と予混合して燃焼筒４３内に導入されるよ
うになっている。

【００２８】燃焼筒４３の周壁には、希釈用空気を燃焼
筒４３内に導入するための第１空気取り入れ口５０およ
び拡散燃焼用の空気を燃焼筒４３内に導入するための第
２空気取り入れ口５１が形成され、これらの空気取り入
れ口５０，５１はそれぞれリング状のスリーブ５２，５
３によって開口面積が可変となっている。

【００２９】この燃焼器６の蒸発管４２を囲うカバー４
１の内側に前記入口空気温度検出器３３が設置されてい
る。

【００３０】また、コンプレッサ入口可変案内翼３１の
構造を図７に示す。

【００３１】これは、コンプレッサ１のインペラ入口部
の周囲に、多数のベーン５５が同方向に揺動自由に配置
され、その角度調整機構３２の図示しないリング部材を
回動すると、各ベーン５５が一体に図示の開状態から閉
じ側に駆動される。

【００３２】ベーン５５の開状態では流入空気に予旋回
を与えることはないが、ベーン５５を閉じていくと、そ
の角度に応じて流入空気に予旋回を与えるようになって
いる。つまり、図８のように小流量側になる。

【００３３】コントローラ１８（目標回転数算出手段、
燃料制御手段、回転数制御手段、入口空気温度制御手
段）の極低負荷およびアイドル時の制御内容を図９のフ
ローチャートに示し、説明する。

【００３４】ステップ１０１でアクセル開度θ_Aを読み
込み、ガス発生機軸３の回転数Ｎ_GGがアクセル開度θ_A
から算出した目標回転数となるように、燃料調整弁７の
開度を制御する。具体的には、図１６に示すようにアク
セル開度θ_Aに対してガス発生機軸３の回転数Ｎ_GG（１
軸においてはタービン軸回転数）を予め記憶しておき、
この回転数を保つように燃焼器６に供給する燃料量Ｇｆ
を入力、軸回転数Ｎ_GGを出力とした閉ループを構成し、
制御する。

【００３５】ステップ１０２ではアクセル開度θ_Aを予
め決めた極低負荷状態に対応した設定開度θ_AOと比較
し、アクセル開度θ_Aが設定開度θ_AO以下の極低負荷時
には、ステップ１０３で燃焼器６の入口空気温度Ｔｃｃ
を読み込む。

【００３６】次に、ステップ１０４ではパワータービン
４の回転数Ｎ_PTを読み込むと共に、ＰＩＤ制御（比例積
分微分制御）によりその回転数Ｎ_PTを所定の回転数に保
つように、パワータービン入口可変案内翼１０の角度θ
_VN（閉じ側）を算出し、ステップ１０５にて角度調整機
構１１に出力する。

【００３７】そして、ステップ１０６にて燃焼器６の入
口空気温度Ｔｃｃが所定の設定温度Ｔｃｃｏ以下のとき
に、ステップ１０７にてＰＩＤ制御により入口空気温度
Ｔｃｃをその設定温度Ｔｃｃｏに保つように、コンプレ
ッサ入口可変案内翼３１の角度θ_ViGV（小流量側）を算
出し、限界値θ_ViGVLiMiTを越えない範囲で（ステップ
１０８，１０９）、ステップ１１０にて角度調整機構３
２に出力する。

【００３８】次に作用を説明する。

【００３９】コンプレッサ１によって圧縮された吸入空
気は、熱交換器５で加熱された後、燃焼器６において燃
料とともに燃焼する。この燃焼ガスによってコンプレッ
サ駆動タービン２が駆動され、コンプレッサ１を回転さ
せる。

【００４０】コンプレッサ駆動タービン２を出た燃焼ガ
スは、可変案内翼１０を介して次段のパワータービン４
に流入し、これを駆動する。パワータービン４によって
車両等の負荷１２が駆動される。

【００４１】パワータービン４を出た排気ガスは熱交換
器５において、コンプレッサ１からの吸入空気と熱交換
して温度を高める。

【００４２】燃焼器６に供給される燃料量は、コントロ
ーラ１８によりアクセル開度に対応してガス発生機軸３
の回転数Ｎ_GGが目標の回転数となるように制御される。

【００４３】ところで、燃焼器６は予蒸発予混合希薄燃
焼器であって、軽油等の液体燃料を蒸発管を通して蒸発
させ、希薄な均一な混合気（空気過剰率＝２〜３程度）
として燃焼させるもので、ＮＯｘの発生率が非常に低い
という特徴をもつ。

【００４４】しかし、図１０にも示すように、燃料の蒸
発率が下がると、燃焼時に発生するＮＯｘは急激に増加
する。これは蒸発しない燃料液滴が拡散燃焼を起こすた
めで、蒸発率が高いときはＮＯｘの発生は非常に少な
い。

【００４５】燃焼器６における燃料の蒸発は燃焼器入口
温度に相関し、入口温度が高くなるほど蒸発が良好とな
る。図１１は燃料を完全に蒸発させるのに必要な蒸発管
の長さ（距離）を示すもので、入口温度が高ければ蒸発
距離は短くなる。実際には蒸発管の内部での燃料の自然
着火を防ぐために、蒸発管の長さ（図６参照）は制限さ
れる。したがって、入口温度が低いと、図１１の斜線領
域で示す範囲での燃料の蒸発が不十分となってしまう。

【００４６】一般にガスタービンが中、高負荷で運転さ
れているときは、燃焼器の入口空気温度は高く保たれる
ため、燃料の蒸発が不十分となることはないが、アイド
ル運転時や極低負荷運転時には燃料の供給量が少なく、
コンプレッサ駆動タービン入口ガス温度も低く、結果と
して燃焼器入口空気温度も低くなり、燃料の蒸発率が下
がるのである。

【００４７】しかし、本発明では、アクセル開度に基づ
いてこのようなアイドル運転域等を判定すると、コント
ローラ１８が角度調整機構１１，３２を介して、パワー
タービン入口可変案内翼１０を閉じ側に駆動してパワー
タービン４の所定の回転数を保つと同時に、コンプレッ
サ入口可変案内翼３１を小流量側に駆動することで、マ
ッチング温度を高め、コンプレッサ効率を高めて、燃焼
器６の入口空気温度を所定温度に保つ。

【００４８】この場合、燃料制御により、ガス発生機軸
３の回転数Ｎ_GGを極端に下げると、図１２のようにマッ
チング温度は高まるが、ガス発生機軸３の回転数Ｎ_GGを
下げたのでは、加速性能が悪化する。

【００４９】また、パワータービン４の回転数Ｎ_PTは、
補機を駆動する関係から一定の回転以下に低下するのは
好ましくないし、アイドル時等に一定の回転以上に上昇
してしまうのも好ましくない。

【００５０】このため、燃料制御によってガス発生機軸
３およびパワータービン入口可変案内翼１０によってパ
ワータービン４の各所定の回転数を保ちながら、コンプ
レッサ入口可変案内翼３１を小流量側に駆動し、これに
より燃焼器６の入口空気温度を高めるのである。

【００５１】したがって、アイドル時等に要求に合った
運転状態を確保しつつ、適正な燃焼器入口空気温度を保
って、燃料の予蒸発予混合を促進することができ、良好
な排気性能を得ることができる。

【００５２】第１の発明は、アイドル時に前記パワータ
ービン４を所定の回転に保つ必要のないものに、対応す
る。

【００５３】即ち、補機がガス発生機軸３に連結されて
いて、アイドル時にパワータービン４を所定の回転にす
る必要のない場合には、パワータービン入口可変案内翼
１０を閉じ側に駆動せずとも良く、したがってこの場合
には、図５中のＶＮ駆動制御部３８が不要になり、アイ
ドル時にコンプレッサ入口可変案内翼３１を小流量側に
駆動することで、燃焼器６の入口空気温度を高めること
ができる。

【００５４】また、第１の発明は、パワータービンのな
い１軸タービンにも、対応する。

【００５５】１軸タービンの場合、アイドル時に補機を
駆動するタービン（コンプレッサ駆動タービン）の所定
の回転数を保ちながら、コンプレッサ入口可変案内翼３
１を小流量側に駆動して、燃焼器６の入口空気温度を所
定温度に保つ。

【００５６】図１３〜図１５は第３の発明の実施例を示
し、コンプレッサ入口可変案内翼のないものである。

【００５７】前図４と同一部分には同符号を付してあ
り、またアイドル運転時および極低負荷運転時のコント
ローラ６０の制御ブロックは、アクセル開度からこれら
の状態を判断する低負荷およびアイドル状態判断部３
５、極低負荷およびアイドル時にパワータービン４の回
転数に基づいて燃料調整弁７の開度を制御する燃料流量
制御部６２、同じく極低負荷およびアイドル時に燃焼器
６の入口空気温度に基づいてパワータービン入口可変案
内翼（ＶＮ）１０を駆動制御するＶＮ駆動制御部６１か
らなる。

【００５８】コントローラ６０（燃料制御手段、入口空
気温度制御手段）の極低負荷およびアイドル時の制御
は、図１５のフローチャートに基づき、ステップ２０１
でアクセル開度θ_Aを読み込み、ステップ２０２にてア
クセル開度θ_Aを極低負荷状態に対応した設定開度θ_AO
と比較し、アクセル開度θ_Aが設定開度θ_AO以下の極低
負荷時には、ステップ２０３で燃焼器６の入口空気温度
Ｔｃｃを読み込む。

【００５９】次に、ステップ２０４ではパワータービン
４の回転数Ｎ_PTを読み込むと共に、ＰＩＤ制御（比例積
分微分制御）によりその回転数Ｎ_PTを所定の回転数に保
つように、燃焼器６への燃料量Ｇｆを算出し、ステップ
２０５にて燃料調整弁７に出力する。

【００６０】そして、ステップ２０６にて燃焼器６の入
口空気温度Ｔｃｃが所定の設定温度Ｔｃｃｏ以下のとき
に、ステップ２０７にてＰＩＤ制御により入口空気温度
Ｔｃｃをその設定温度Ｔｃｃｏに保つように、パワータ
ービン入口可変案内翼１０の角度θ_VN（開き側）を算出
し、限界値θ_VNLiMiTを越えない範囲で（ステップ２０
８，２０９）、ステップ２１０にて角度調整機構１１に
出力する。

【００６１】このようにすれば、アイドル時等にパワー
タービン４から無用のパワーを出さずに、マッチング温
度が高まり、ガス発生機軸３の所定回転数を維持しなが
ら、燃焼器６の入口空気温度を所定温度に制御すること
ができる。

【００６２】

【発明の効果】以上のようにこの発明は、予蒸発予混合
燃焼器を設けたガスタービンにおいて、燃焼器への燃料
制御およびコンプレッサ入口やタービン入口に設けた可
変案内翼の制御により、アイドル時等の良好な運転状態
を維持しながら燃焼器の入口空気温度を適正温度に保つ
ことができ、アイドル時等にあっても燃料の蒸発を促進
して低ＮＯｘ燃焼を行うことができ、排気性能を大幅に
向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の構成図である。

【図２】発明の構成図である。

【図３】発明の構成図である。

【図４】実施例を示すブロック構成図である。

【図５】コントローラの部分ブロック構成図である。

【図６】燃焼器の断面図である。

【図７】コンプレッサ入口可変案内翼の説明図である。

【図８】コンプレッサの特性図である。

【図９】制御内容を示すフローチャートである。

【図１０】燃料蒸発率とＮＯｘの発生量との関係を示す
説明図である。

【図１１】燃焼器入口空気温度と燃料蒸発距離との関係
を示す説明図である。

【図１２】ガス発生機軸回転にマッチングするタービン
入口温度の例を示す説明図である。

【図１３】実施例を示すブロック構成図である。

【図１４】コントローラの部分ブロック構成図である。

【図１５】制御内容を示すフローチャートである。

【図１６】アクセル開度に対するガス発生機軸回転数の
設定例を示す特性図である。

【符号の説明】

１ コンプレッサ ２ コンプレッサ駆動タービン ３ ガス発生機軸 ４ パワータービン ５ 熱交換器 ６ 燃焼器 ７ 燃料調整弁 １０ パワータービン入口可変案内翼 １３ アクセル開度検出器 １５ ガス発生機軸回転数検出器 １６ パワータービン回転数検出器 １８ コントローラ ３１ コンプレッサ入口可変案内翼 ３３ 燃焼器入口空気温度検出器 ４２ 蒸発管 ５５ ベーン ６０ コントローラ

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コンプレッサの入口に可変案内翼を設
   け、燃焼器の入口に燃料の予蒸発予混合室を設けたガス
   タービンにおいて、アクセル開度の検出手段と、燃焼器
   の入口空気温度の検出手段と、アクセル開度からタービ
   ンの目標回転数を算出する目標回転数算出手段と、ター
   ビンの回転数が目標回転数となるように燃焼器への燃料
   を制御する燃料制御手段と、アクセル開度が設定値以下
   のとき燃焼器の入口空気温度を所定温度に保つようにコ
   ンプレッサ入口可変案内翼を駆動制御する入口空気温度
   制御手段とを設けたことを特徴とするガスタービンの制
   御装置。
2. 【請求項２】 コンプレッサの入口ならびにパワーター
   ビンの入口にそれぞれ可変案内翼を設け、燃焼器の入口
   に燃料の予蒸発予混合室を設けたガスタービンにおい
   て、アクセル開度の検出手段と、燃焼器の入口空気温度
   の検出手段と、アクセル開度からガス発生機軸の目標回
   転数を算出する目標回転数算出手段と、ガス発生機軸の
   回転数が目標回転数となるように燃焼器への燃料を制御
   する燃料制御手段と、アクセル開度が設定値以下のとき
   パワータービンの回転数を所定回転数に保つようにパワ
   ータービン入口可変案内翼を駆動制御する回転数制御手
   段と、この制御時に燃焼器の入口空気温度を所定温度に
   保つようにコンプレッサ入口可変案内翼を駆動制御する
   入口空気温度制御手段とを設けたことを特徴とするガス
   タービンの制御装置。
3. 【請求項３】 パワータービンの入口に可変案内翼を設
   け、燃焼器の入口に燃料の予蒸発予混合室を設けたガス
   タービンにおいて、アクセル開度の検出手段と、燃焼器
   の入口空気温度の検出手段と、アクセル開度が設定値以
   下のときパワータービンの回転数を所定回転数に保つよ
   うに燃焼器への燃料を制御する燃料制御手段と、この制
   御時に燃焼器の入口空気温度を所定温度に保つようにパ
   ワータービン入口可変案内翼を駆動制御する入口空気温
   度制御手段とを設けたことを特徴とするガスタービンの
   制御装置。