JP3181122B2 - ガスタービン燃焼器の制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は低ＮＯｘ予混合ガスター
ビン燃焼器の制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は主として天然ガス等のメタン系気
体を使用するガスタービンの低ＮＯｘ予混合燃焼器内筒
の断面図、図７はその正面図である。これらの図におい
て、符号１は燃焼器内筒、２は空気導入筒、３はスワー
ラ、４は燃料ノズル、５は予混合バーナ、６はルーバ、
Ａはパイロット燃焼器、Ｂはメイン燃焼器を示してい
る。

【０００３】予混合燃焼器は単数のパイロット燃焼器Ａ
の周辺に複数のメイン燃焼器Ｂが配置されている。メイ
ン燃焼器は通常２組のグループによって形成され、低負
荷域ではパイロットとメイングループＩが使われ、高負
荷になるとメイングループIIがさらに使用される。

【０００４】パイロット燃焼器Ａでは、拡散燃焼によっ
て安定した炎を保持するようにし、メイン燃焼器Ｂで
は、あらかじめ燃料ガスを１次空気と均一に混合した
後、希薄燃焼させて、均一で低温な火炎を形成し、発生
ＮＯｘを減少させるようにしている。

【０００５】すなわち、燃焼器内筒１のパイロット側で
は、空気導入筒２とスワーラ３とを経て旋回流入する１
次空気が燃料ノズル４から噴出するパイロットガスを拡
散燃焼させる。一方、メインガスは予混合された後、ガ
ス・空気圧入混合形の予混合バーナ５からメイン燃焼器
Ｂへ流入して予混合燃焼する。なお、燃焼器内筒１の内
壁はルーバ６で整流された流入空気によりフィルム冷却
される。

【０００６】この種燃焼器では、負荷に対応して燃焼器
内筒へ流入する空気量を調節し、安定かつ低ＮＯｘ燃焼
が行われる。すなわち、図８に示すように、空気圧縮機
７で圧縮されて燃焼器内筒１へ流入されるべき空気の一
部は、制御器８で制御されるバイパス弁９を経て、ター
ビン１０へバイパスされる。一般には、バイパス空気は
タービン上流の燃焼器尾筒１１へバイパスされて、ター
ビン１０へ導かれる。

【０００７】その方法は、低負荷時でパイロット燃焼器
のみに燃料を供給しているときには、バイパス弁９を全
閉として圧縮空気のすべてを燃焼器内筒１へ供給し、高
負荷に移行してメイン燃焼器が使われ始めると、バイパ
ス弁９を開いて燃焼器内筒１へ流入する空気量を減ら
し、その後、負荷の増大とともにバイパス弁９を閉じ
て、燃焼器内筒１へ流入する空気量を増やしていく。こ
れは、高負荷域への燃料切替後に、メイン燃焼器へ流入
する空気量を減らして、極端な希薄燃焼による不安定燃
焼を防止するためである。

【０００８】図９はそのバイパス弁の開度特性を示した
ものである。低負荷域でのバイパス弁開度信号は全閉と
され、燃料切替時には直ちに閉から開へ移行し、その後
の高負荷域では発電機出力、圧縮機吐出圧及び大気温度
の関数信号によって全閉へ向けて移行する。

【０００９】図１０はそのバイパス弁開度信号系の例を
示す。すなわち、燃焼器内筒１へ流入する空気流量を調
節するバイパス弁は、発電機出力及び圧縮機吐出圧（又
は車室内圧力）を検出し、制御関数を演算してバイパス
弁開度信号を求め、これに大気温度による関数補正を加
えてバイパス弁９を制御する信号としている。その制御
関数は 制御関数＝ＫＷ／（ＡＰ＋Ｂ） で表される。ただし、 ＫＷ：発電機出力 Ｐ ：圧縮機吐出圧 Ａ ：ゲイン（定数） Ｂ ：バイアス（定数） なお、ゲインＡ及びバイアスＢはいずれもガスタービン
に固有のもので、ガスタービン特性に応じて決定される
定数である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、最近になっ
てＮＯｘの規制値が増々厳しくなっており、特に拡散燃
焼を行うパイロット燃焼器で発生するＮＯｘが問題とな
ってきている。このため、図１１に示すように、パイロ
ット燃焼器でも予混合燃焼を行うようにして、希薄燃焼
により燃焼温度を低下させ、発生ＮＯｘを減少させるガ
スタービン燃焼器が開発されている。すなわち、パイロ
ット燃焼器に予混合バーナ５′を備え、燃料に空気を圧
入混合してパイロット燃焼器へ流入させ、予混合燃焼さ
せるのである。

【００１１】このパイロット燃焼器及びメイン燃焼器と
もに予混合燃焼方式とした場合、低負荷域にて従来のよ
うにバイパス弁を全閉とすると、パイロット燃焼器へ流
入する空気量が過大となり、燃焼が不安定となって炎の
吹き消えが発生する場合がある。

【００１２】本発明は上記事情にかんがみてなされたも
ので、パイロット燃焼器及びメイン燃焼器ともに予混合
燃焼方式としたガスタービン燃焼器において、上記不具
合を解消したガスタービン燃焼器の制御方法、特にバイ
パス弁の制御方法を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的に対し、本発明
によれば、パイロット燃焼器及びメイン燃焼器ともに予
混合燃焼方式とした低ＮＯｘガスタービン燃焼器におい
て、空気圧縮機から燃焼器内筒へ流入する燃焼用空気を
調節するバイパス弁の開度を、パイロット燃焼器着火時
からメイン燃焼器燃料切替時までの低負荷域、及びこの
メイン燃焼器燃料切替後からほぼ定格負荷までの高負荷
域ともに、それぞれ開から閉方向へ移行させることを特
徴とするガスタービン燃焼器の制御方法が提供される。

【００１４】

【作用】上記手段によれば、予混合燃焼パイロット燃焼
器へ流入する空気流量が負荷の全域にわたって制御され
ることになり、メイン燃焼器での燃焼とともにパイロッ
ト燃焼器での燃焼が安定し、炎の吹き消えは発生しなく
なる。

【００１５】

【実施例】図１は本発明による制御方法の一実施例を示
したもので、バイパス弁開度信号の特性図である。図１
の例によれば、ガスタービンの回転数が６００ｒｐｍに
なるとパイロット燃焼器が着火され、定格回転数の３０
００ｒｐｍまで逐次燃料が追加される。その後、メイン
燃焼器が燃焼して負荷がかかる。この低負荷域では、パ
イロット燃焼器とメイン燃焼器のメイングループＩとが
燃焼に使用される。２／４負荷に達すると、高負荷域に
入り、ここではメイングループIIがさらに燃焼に使用さ
れていき、４／４負荷となる。

【００１６】バイパス弁の作動状況を見てみると、定格
回転数に至るまでの昇速時に、バイパス弁は一旦全閉と
なり、その後、再び開いて定格回転で全開近傍となる。
その後、メイン燃焼器のメイングループＩが燃焼を開始
すると、バイパス弁は負荷が小さいときは全開近傍にあ
り、負荷の増大とともに閉じていき、燃料切替時に全閉
近くとなる。そして、メイングループIIの追加燃焼が開
始されると、バイパス弁は再度全開近傍となり、メイン
グループIIへの燃料の増加とともにバイパス弁はほぼ直
線状に閉方向へ移行し、全負荷で全閉近傍となる。

【００１７】図２及び図３には本発明による制御方法の
第２及び第３の実施例を示す。これらの実施例はともに
図１の実施例と同様に、バイパス弁開度は負荷の全域に
わたって制御されるが、その開度は低負荷域において全
開近傍から全閉近傍まで動くわけではなく、ノズルの特
性や火炎の安定具合に応じて、図２のように、初めのう
ちは全開を保持し、途中から閉方向へ移行させたり、図
３のように、初めから全閉とせず、中開度から閉方向へ
移行させてもよい。

【００１８】低負荷域から高負荷域へ移行する燃料切替
時の詳細を図４に示す。燃料切替の時、バイパス弁開度
操作、すなわち全閉から全開までの操作は瞬時に行わ
ず、多少の時間を掛けて行うようにする。図示の例で
は、この時間は１００秒に設定してある。その間、時間
に対してたとえばほぼ直線的に変化するバイパス弁開度
を設定してある。

【００１９】また、燃料切替時におけるパイロット燃
料、グループＩ及びグループIIメイン燃料の総和は変わ
らず、負荷は一定である。しかし、個々の燃料流量比率
は図示のように、パイロット燃料及びグループＩメイン
燃料が減少するとともにグループIIメイン燃料が増加す
るよう変化する。

【００２０】バイパス弁の低負荷域及び高負荷域におけ
る開度指令が、図１０に示した圧縮機吐出圧（又は車室
内圧力）、発電機出力及び大気温度の関数信号によるこ
とは従来の技術と変わらない。この変形例としては、発
電機出力に代えてこれとほぼ１：１で対応する状態量の
制御信号出力（ＣＳＯ）を適用してもよい。また、圧縮
機吐出圧に代えてこれとほぼ１：１で対応する状態量を
有する空気圧縮機の入口案内翼（ＩＧＶ）開度信号を適
用することもできる。

【００２１】上記の関数信号は図８に示した構成のガス
タービン発電プラントにおいて有効であるが、図５に示
すようなガスタービンと蒸気タービンとが同軸上に結合
された１軸コンバインドプラントにあっては、ガスター
ビン負荷に見合ったバイパス弁開度の制御は不可能であ
る。これは、１軸コンバインドプラントの場合には、制
御関数を成す項目の１つである発電機出力がガスタービ
ンと蒸気タービンとの合成出力となり、ガスタービン単
独出力となり得ないからである。なお、図５の系統図に
おいて、符号１２は蒸気タービン、１３は復水器、１４
は給水ポンプ、１５は排ガスボイラである。

【００２２】そこで、１軸コンバインドプラントの場合
には、ガスタービン出力ＫＷとほぼ１：１で対応する状
態量である制御信号出力（ＣＳＯ）と、圧縮機吐出圧
（又は燃焼器車室内圧力）及び大気温度による制御関数
を使用する。この制御信号出力ＣＳＯを使用した場合の
制御関数は 制御関数＝ＣＳＯ／（ＡＰ＋Ｂ） で表わされる。ただし、 Ｐ：圧縮機吐出圧 Ａ：ゲイン（定数） Ｂ：バイアス（定数） なお、ゲインＡ及びバイアスＢはいずれもガスタービン
に固有のもので、ガスタービン特性に応じて決定され
る。また、Ｐは圧縮機入口案内翼開度信号とすることも
できる。さらに、上記の場合、最適制御を行うために、
ＣＳＯは燃料温度と燃料性状（比重量）とによる補正が
行われる。

【００２３】また、１軸コンバインドプラントのガスタ
ービン制御方法の別の実施例として、ガスタービン出力
ＫＷとほぼ１：１で対応する状態量であるガスタービン
燃料流量を使用することもできる。この燃料流量を使用
した場合の制御関数は 制御関数＝Ｇf／（ＡＰ＋Ｂ） で表わされる。ただし、 Ｇf ：燃料流量 ｋｇ／秒 Ｐ ：圧縮機吐出圧（又は燃焼器車室内圧力） 又は圧縮機入口案内翼開度信号 Ａ ：ゲイン（定数） Ｂ ：バイアス（定数） なお、ゲインＡ及びバイアスＢはいずれもガスタービン
に固有のもので、ガスタービン特性に応じて決定される
ものである。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、パイロット及びメイン
燃焼器ともに予混合型とした低ＮＯｘガスタービン燃焼
器において、単独のガスタービン発電プラントでも、ま
た１軸コンバインド発電プラントであっても、負荷の全
域にわたって安定した燃焼が得られ、しかも燃料切替時
にも予混合燃焼パイロット燃焼器へ流入する空気量が同
燃焼器に流入する燃料量の変化に応じて制御されるため
燃焼が安定し、炎の吹き消えが発生することがなくな
り、低ＮＯｘガスタービンの信頼性を向上させることが
できる。

【００２５】本発明はバイパス弁制御であるので、弁開
度に対するノズルへの流入空気量の誤差が少なく、パイ
ロット燃焼の低負荷時においても正確な空気流量の制御
が可能となるので、燃焼の安定、炎の吹き消え防止に特
に有効である。

【００２６】また、バイパス弁制御によって、パイロッ
ト及びメインの両燃焼器への空気流量の制御を同時にで
きるので、一方の流量の増減が他方の流量に影響を与え
ることもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるガスタービン燃焼器の制御方法の
第１実施例に係るバイパス弁開度の特性図である。

【図２】本発明によるガスタービン燃焼器の制御方法の
第２実施例に係るバイパス弁開度の特性図である。

【図３】本発明によるガスタービン燃焼器の制御方法の
第３実施例に係るバイパス弁開度の特性図である。

【図４】燃料切替時の燃料流量比率とバイパス弁開度の
特性図である。

【図５】１軸コンバインドプラントの一例を示す系統図
である。

【図６】従来の予混合燃焼器の一例を示す断面図であ
る。

【図７】図４の予混合燃焼器の正面図である。

【図８】バイパス弁を有するガスタービン発電プラント
の系統図である。

【図９】従来のバイパス弁開度の特性図である。

【図１０】バイパス弁開度信号系の説明図である。

【図１１】従来の予混合燃焼器の別の例を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１ 燃焼器内筒 ４ 燃料ノズル ５ 予混合バーナ ７ 空気圧縮機 ９ バイパス弁 Ａ パイロット燃焼器 Ｂ メイン燃焼器

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パイロット燃焼器及びメイン燃焼器ともに
   予混合燃焼方式とした低ＮＯｘガスタービン燃焼器にお
   いて、空気圧縮機から燃焼器内筒へ流入する燃焼用空気
   を調節するバイパス弁の開度を、パイロット燃焼器着火
   時からメイン燃焼器燃料切替時までの低負荷域、及びこ
   のメイン燃焼器燃料切替後からほぼ定格負荷までの高負
   荷域ともに、それぞれ開から閉方向へ移行させることを
   特徴とするガスタービン燃焼器の制御方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の制御方法において、メイン
   燃焼器燃料切替時のバイパス弁操作に時間を設定し、か
   つ時間に対して開度を設定して変化させることを特徴と
   するガスタービン燃焼器の制御方法。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載の制御方法において、
   バイパス弁の制御関数として、制御信号出力又はガスタ
   ービン燃料流量と、圧縮機吐出圧又は圧縮機入口案内翼
   開度信号と、大気温度とを使用したことを特徴とするガ
   スタービン燃焼器の制御方法。