JP3502171B2 - ガスタービンの制御方法 - Google Patents
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Description
に係り、特に2段式燃焼器を備えたガスタービンの同時
多缶燃焼不安定時の制御方法に関するものである。
燃焼器を有するガスタービンは、図5にも示されている
ように、拡散燃焼が行われる第1段燃焼部28と予混合
燃焼が行われる第2段燃焼部13とを有している。この
種ガスタービンの燃焼器における特徴の一つとして、起
動から定格負荷に至るまでの間における燃空比、すなわ
ち燃料量と空気量の比率の変化範囲が非常に広いことが
挙げられる。
の非常に広い燃空比の変化範囲内においても、低NOx
化の達成が可能な方式であり、第1段燃焼部28と第2
段燃焼部13との燃焼制御によりそれを達成している。
すなわち、起動から定格負荷まで使用される第1段燃焼
部28においては、作動域が広い拡散燃焼方式が採用さ
れ、その後、第1段燃焼部28の単独燃焼から、第2段
燃焼部13と第1段燃焼部28との同時燃焼へ切り換え
られ、そしてそれ以降には、第2段燃焼部13が燃焼す
るように形成されている。
も低NOx化を図る為、燃焼用空気29と燃料ノズル3
0からの燃料31とがスワラ14の内部で、予め混合し
て燃焼させる予混合方式が採用されている。
5は、燃焼器12へと導かれ、燃焼ガス26となってタ
ービン部27へ流入する構造となっており、第2段燃焼
部の燃焼用空気29の流量制御は、空気流量調整機32
により、燃料量に応じて実施されている。
合、安定燃焼に必要な量の空気を使用することが出来る
と共に、残った空気についても希釈に利用できるので、
NOx濃度は燃空比に対して鈍感であり、かつ燃焼範囲
は広い。しかしながら、周囲に空気が多く存在していて
も、拡散燃焼のみでの低NOx化には限界があるため、
予混合方式を採用している第2段燃焼部13が必要とな
る。
部13における燃空比とNOx濃度又はCO濃度との関
係を示した図である。この図に示されているように、N
Ox濃度33およびCO濃度34が共に低い燃空比の範
囲35が存在する。すなわち、前記範囲35内の燃空比
となるよう調整した場合には、低NOx濃度でかつ安定
した燃焼が得られるわけである。
に図3のスワラ14で示される予混合燃焼方式を採用し
た場合には、燃料と空気との混合が良好となり、燃空比
を下げることにより、火炎温度を低下させ、NOx濃度
の低減化を図ることが可能である。
気の温度や湿度の変化、又は燃料の発熱量や成分の変化
により、微妙に変化するものである。特に、ガスタービ
ンに複数個の燃焼器を設けてある場合には、それぞれの
燃焼器の燃焼状況が異なることから、安定な燃焼が得ら
れないことがある。
あり、かつ安定燃焼範囲が狭いため、燃空比の細かい制
御が必要である。又、予混合燃焼時の燃焼用空気29の
流量制御は、前述のように空気流量調整機32により燃
料量に応じて行われている。
器の取り付け状況を説明すると、図7,8,9はガスタ
ービンにおける燃焼器の取り付け状況を示す図で、図7
はガスタービン本体の模式側面図、図8は図7のA−A
矢視図、図9は図7のB−B線に沿う側面図を示してい
る。
り付けられており、右端が排気部36になっている。ま
た、図8からわかるように、燃焼器12はガスタービン
本体の周辺部に同方向にほぼ等間隔に複数個設置されて
いる。なお、燃焼器12には、その全数に空気流量調整
機が付設されている。空気流量調整機は、燃焼器全数を
同時又は個別に制御するが、燃焼器の個体差等の影響か
ら、燃焼状態が非常に不安定となりやすい。
である2次燃料を、第2段燃焼部に投入しても、第1段
燃焼部から第2段燃焼部への火移りができずに2次燃料
が点火しなかったり、あるいは第2段燃焼部が失火して
しまう場合があった。このような場合は、2次燃料は燃
焼せずにそのまま排出されるので、大幅な効率低下とな
った。このような大幅な効率低下については、図9に示
すような、排気部36の周方向に設置されてある複数の
排気ガス温度測定用熱電対37による温度分布の測定結
果から、捕えることが出来る。
である。各燃焼器が正常に稼働しているときの正常の温
度分布38に対して、燃焼器の内のいくつかが不安定な
燃焼状態にある異常時の温度分布39には、排気ガス温
度に部分的な低下が現われるので、燃焼器の不具合の状
況を捕えることが出来る。
視装置である熱電対に不具合が生じた場合でも、ガスタ
ービンを継続運転するガスタービンの制御方法が開示さ
れている。
式燃焼器を有するガスタービンの第2段燃焼部において
は、燃空比の制御は非常に狭い範囲内で行う必要がある
ため、その制御は不安定になりがちであり、不完全燃焼
が発生しやすい。
線図を示したものであるが、本図には、複数(n)個の
燃焼器にそれぞれ対応させて設けてある複数(n)本の
熱電対により、排気ガス温度を測定し、燃焼器のうちの
いくつかで不安定燃焼が生じていることを捕えた場合の
温度分布39を示してある。すなわち、排気ガス温度の
偏差は燃焼器の不安定燃焼に伴って発生したものであ
る。
視方法として排気ガス温度の偏差を監視することによ
り、不具合を捕える方法は、1、2缶程度の燃焼器での
不具合は検出することは可能であるが、全缶の燃焼器で
同時に燃焼不安定が生じた場合、温度分布40に示す如
く、検出することが困難であり、このような状態におい
てガスタービンを継続運転させることは難しかった。
目的とするところは、ガスタービン燃焼器の第2段燃焼
部で同時多発的に異常燃焼が発生した場合においても、
ガスタービンを継続運転させることが可能なこの種ガス
タービンの制御方法を提供するにある。
個の燃焼器を備え、かつ各燃焼器が拡散燃焼をする第1
段燃焼部と予混合燃焼をする第2段燃焼部とを備えてい
るガスタービンの制御方法において、第1段および第2
段燃焼部の燃焼状態を監視し、燃焼状態に係わる状態量
を制御因子として取り込み、その取り込まれた状態量が
許容値を超えた場合に、前記第2段燃焼部の燃焼を異常
燃焼とみなし、かつこの異常燃焼とみなされた燃焼器の
数が、燃焼器総数の過半数を超えた場合に、前記第1段
燃焼部のみの単独燃焼に移行させるようになし初期の目
的を達成するようにしたものである。
を、排気ガス温度および燃焼器メタル温度のうち少なく
とも1つからとらえるようになし、また前記状態量を前
記状態値の変化率でとらえるようにしたものである。
例えば複数本の熱電対により、排気ガス温度および燃焼
器メタル温度のうちの少なくとも1つ、あるいはこれら
の温度を組み合わせて測定することにより、不安定燃焼
の状態量を捕え、ガスタービン燃焼器の第2段燃焼部で
同時多発的に異常燃焼が発生した場合においても、第1
段燃焼部の単独燃焼に速やかに移行できるようにしてあ
るので、燃焼状態を急変させることなく、ガスタービン
の運転を継続させることが可能となるのである。
状態量を測定温度のばらつきではなく、変化率が許容変
化率を超えてある一定の時間継続した場合とすること
で、ガスタービン燃焼器の第2段燃焼部で同時多発的に
異常燃焼が発生した場合においても的確に捕えることが
できるのである。
に説明する。図1にはその制御方法を説明するためのブ
ロック線図が示されている。図1は多缶同時燃焼不安定
を検出し、第1段燃焼部の単独燃焼に至る経過を示すブ
ロック線図、図2は時間経過に伴う燃焼器メタル等の温
度変化の状態図である。尚、測定温度には燃焼器メタル
温度および排気ガス温度があるが、燃焼器メタル温度を
例にとり説明する。
部との同時燃焼時に、n本の熱電対より検出される個々
の燃焼器メタル温度1の時間経過に伴う変化11を監視
し、変化率算出器2に取り込み、時間経過に伴う変化率
3を取り出し、モニターリレー4により、その変化率3
が予め設定していた許容値を超えているかを監視し、タ
イマ5にて設定された時間を過ぎても許容値を超えてい
た場合、その該当する燃焼器を異常とみなし、信号6を
発信する。
加算器7に取り込み、燃焼異常とみなされた燃焼器の数
を求め、モニターリレー8により、その数が設置された
燃焼器の総数の過半数(許容値)を超えた場合は、多缶
同時燃焼不安定とみなし、信号9を発信する。すなわ
ち、第1段燃焼部と第2段燃焼部の同時燃焼時におい
て、信号9の送信により、第1段燃焼部の単独運転への
移行の指令を発信させる。
例にとり説明したものであるが、その他の燃焼状態を監
視する項目として、排気ガス温度10があるが、これら
の燃焼不安定時の温度変化は、燃焼器メタル温度1と同
一の傾向を示すので、燃焼器メタル温度の場合と同様の
方法によって異常燃焼を捕えることができる。
は、例えば図3に示すように、スワラ14内に燃焼器メ
タル温度測定用熱電対15を取り付けて測定する。
焼を捕えた場合、燃料指令信号により、2次燃料ガス遮
断弁を全閉させ、1次燃料ガス流量調節弁を全開させ
て、第2段燃焼部の燃焼を停止させる。
ガス流量配分の基本系統を、図に基づいて説明する。図
4は、燃料ガス流量配分の基本系統を示すブロック線図
である。すなわち、負荷の要求に応じて、制御装置から
燃料指令信号を発し、この信号に基づき、拡散燃焼を採
用している第1段燃焼部と予混合燃焼を採用している第
2段燃焼部とへの燃料ガスの配分を決めている。
体の燃料指令信号16の送信の途中にガスタービン全体
の燃料指令信号16が設定値より超過するのを制限する
高値制限器17、第1段燃焼部と第2段燃焼部とへの燃
料供給比率を組み込んだ乗算器18、および第1段燃焼
部への燃料指令信号が設定値より超過するのを制限する
高値制限器19を、それぞれ設けてあり、高値制限器1
9から1次燃料指令信号20を発信し、1次燃料ガス流
量調節弁の開度を決定している。
ようにして決定している。すなわち、高値制限器17を
通過後のガスタービン全体の燃料指令信号16に対し、
1次燃料指令信号20を発信するラインとは別のライン
に加算器21を設け、加算器21により、高値制限器1
7を通過後のガスタービン全体の燃料指令信号16か
ら、乗算器18を通過後のガスタービン全体の燃料指令
信号16を差し引く。
2段燃焼部への燃料指令信号が設定値を超過するのを制
限する高値制限器22を通過した後、2次燃料指令信号
23となって発信され、2次燃料流量調節弁の開度を決
定している。
おいて、乗算器18で設定される第1段燃焼部と第2段
燃焼部とへの燃料供給比率を、それぞれ100%と0%
とにすることにより、第2段燃焼部の燃焼を停止させて
いる。
り入れ、ガスタービンにおいて同時他数缶に燃焼が不安
定な異常燃焼が生じた場合でも、第2段燃焼部の燃焼を
停止させ、第1段燃焼部の単独燃焼のみの安定した燃焼
状態を保持した状態でガスタービンを継続運転をさせて
おり、かつ第1段燃焼部の単独燃焼への移行を円滑に行
わせている。
単独燃焼のみに切り換えた場合は、予混合燃焼方式を採
用している第2段燃焼部との併用時に比べ、一時的にN
Ox濃度は上昇するが、CO濃度は減少し、第1段燃焼
部の単独燃焼のみの安定した燃焼状態を保持しながら運
転を継続させることができる。
ば、2段式燃焼器を有するガスタービンにおいて、同時
に多数の燃焼器の第2段燃焼部に異常燃焼が生じた場合
でも、燃焼の異常を速やかに検知し、第1段燃焼部のみ
の単独燃焼に移行することにより、ガスタービンを停止
させずに、安定した燃焼状態を維持しながら運転を継続
させることが可能となる。
説明するためのブロック図である。
ル温度を示す特性図である。
を説明するためのブロック図である。
明図である。
図である。
図である。
率、4,8…モニターリレー、6,9…信号、7…加算
器、10…排気ガス温度、11…温度の時間経過にとも
なう変化、12…燃焼器、13…第2段燃焼部、14…
スワラ、15…燃焼器メタル温度測定用熱電対、16…
ガスタービン全体の燃料指令信号、17,19,22…
高値制限器、18…乗賛器、20…1次燃料信号、21
…加算器、23…2次燃料信号、24…圧縮機、25…
出口空気、26…燃焼ガス、27…タービン部、28…
第1段燃焼部、29…燃焼用空気、30…燃料ノズル、
31…燃料、32…空気流量調整機、33…NOx濃
度、34…CO濃度、35…NOx,CO各濃度が共に
低い燃空比範囲、36…排気部、37…排気ガス温度測
定用熱電対、38…正常時の温度分布、39…異常時の
温度分布、40…同時他缶異常時の温度分布。
Claims (2)
- 【請求項1】 複数個の燃焼器を備え、かつ各燃焼器が
拡散燃焼をする第1段燃焼部と予混合燃焼をする第2段
燃焼部とを備えているガスタービンの制御方法におい
て、 前記各燃焼器の第1段および第2段燃焼部の燃焼状態を
監視し、燃焼状態に係わる排気ガス温度および燃焼器メ
タル温度のうち少なくとも1つの変化率を制御因子とし
て取り込み、その変化率が許容値を超えた場合に、前記
第2段燃焼部の燃焼を異常とみなし、かつこの異常燃焼
とみなされた燃焼器の数が、燃焼器総数の過半数を超え
た場合に、前記各燃焼器の第1段燃焼部のみの単独燃焼
に移行させるようにしたことを特徴とするガスタービン
の制御方法。 - 【請求項2】 複数個の燃焼器を備え、かつ各燃焼器が
拡散燃焼をする第1段燃焼部と予混合燃焼をする第2段
燃焼部とを備えているガスタービンの制御方法におい
て、 前記第1段および第2段燃焼部の燃焼状態を常時監視す
るとともに、燃焼状態に係わる排気ガス温度および燃焼
器メタル温度のうち少なくとも1つの変化率を制御因子
として取り込み、その変化率が許容値を超えた場合で、
かつ許容値を超えた燃焼器の数が燃焼器総数の過半数を
超えた場合に、前記各燃焼器の第1段燃焼部のみの単独
燃焼に速やかに移行させるようにしたことを特徴とする
ガスタービンの制御方法。
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