JP5281467B2

JP5281467B2 - ガスタービン燃焼器の制御方法

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Publication number: JP5281467B2
Application number: JP2009098090A
Authority: JP
Inventors: 浩明鈴木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-04-14
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-04-14
Also published as: JP2010248966A

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器の制御方法に係り、特に予混合燃焼が行われるガスタービン燃焼器の制御方法に関する。

従来、発電用ガスタービンに使用されているガスタービン燃焼器では、排ガスの低ＮOｘ化対策として予混合燃焼方式が採用されている。この予混合燃焼方式は、予め燃料と空気を混合したガスを生成するとともに、この混合ガスを燃焼室の上流側に設置されている保炎器により保炎させ、温度がより均一で高温度域がない予混合火炎を形成することで、排ガス中のＮOｘ濃度を低減するようにしている。この予混合燃焼は、従来からの拡散燃焼と組み合わせて使用され、予混合燃焼に使用される燃料の全体燃料に対する比率を予混合燃料比率という。

ガスタービン高負荷運転時において、予混合燃料比率を高くすることが、ＮOｘ低減のために必要とされるが、徒に予混合燃料比率を高くすると、燃焼器内での火炎状態が安定せず、燃焼振動が発生してしまい、継続運転が不可能になってしまう場合がある。また、ガスタービンは複数個の燃焼器を有しているが、これらの燃焼器はそれぞれ製造過程に個体差があり、また、燃焼器の経年的な部品の劣化や摩耗が異なるため、燃焼安定度にばらつきがある。

このため、低ＮOｘ値で安定した燃焼状態での運転ができるように、試運転時、又は定期検査における確認運転時において、個々の燃焼器の個体差を考慮した予混合燃料比率の調整が重要となる。具体的には、各負荷におけるガスタービンの運転状態において、予混合燃焼部における空気流量調整が行われ、最適な予混合燃料比率の範囲を設定する。このガスタービンの運転状態における空気量調整を短時間に、かつ効率よく行える制御方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平７−３０５８４７号公報

上述した定期検査における確認運転において、個々の燃焼器の個体差を考慮した予混合燃料比率の調整が行われると、結果として、予混合燃焼部の火炎と拡散燃焼部の火炎の空間比率が変化する。予混合燃焼部では温度がより均一で高温度域がない温度分布を示すのに対し、拡散燃焼部では、空気と燃料の混合状態が均一でないため、高温部と低温部に分かれた温度分布が生じる。つまり、予混合燃料比率を変更すると、燃焼器出口における半径方向の燃焼ガスの温度分布が変化する。この結果、ガスタービン出口ダクト部に設置した熱電対で計測するガスタービン排ガスの温度分布も変化することが判明している。

一方、高負荷運転域におけるガスタービンの燃料流量の制御は、空気圧縮機の吐出圧力とガスタービン入口温度とから定まるガスタービン排ガス温度制御線に、ガスタービン出口部に設置した熱電対で計測したガスタービン排ガス温度が追従するように、燃料流量調節弁の開度を変化させることで行われる。また、ガスタービンの空気流量の制御は、同様にガスタービン排ガス温度制御線に、ガスタービン排ガス温度計測値が追従するように、空気圧縮機の入口案内翼（ＩＧV）の開度を変化させることで行われる。入口案内翼（ＩＧV）が全開した後は燃料流量調節弁により排ガス温度の制御が行われる。このように、高負荷運転域においては、ガスタービン排ガス温度制御線に対応する排ガス温度の計測値を基準に燃料流量が制御され、間接的にガスタービン出力が目標値になるように制御されている。

発電用ガスタービンにおいては、一定の運転期間経過後に定期検査が行われる。この定期検査のたびに、燃焼器や燃料流量調節弁が整備され、それに伴い、燃焼安定性を確保する範囲で可能な限りＮOｘを低減するための予混合燃料比率の調整が行なわれるが、この結果、ガスタービン排ガスのガスタービン出口における半径方向の温度分布も変動する。ガスタービン出口ダクト部に設置した熱電対の半径方向の設置位置は固定されていることから、定期検査における予混合燃料比率の調整によっては、熱電対の計測値（排ガス温度の計測値）は当初の計画値から大きく変動してしまう場合がある。

一方、上述したように、発電用ガスタービンの負荷出力は、ガスタービン排ガス温度制御線によって決められ、排ガス温度制御線に対応する排ガス温度の計測値を基準に燃料流量が制御される。したがって、予混合燃料比率の調整によって、排ガス温度の計測値が当初の計画値から大きく変動した場合には、この計測値を指標として制御しているガスタービン定格負荷出力が計画値を外れてしまう虞がある。

本発明は、上述の事項に基づいてなされたもので、その目的は、予混合燃料比率の変更によるガスタービン排ガス温度計測値の温度分布の変動の影響を排除して、計画値に従ったガスタービンの出力制御ができるガスタービン燃焼器の制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明は、予混合燃焼方式の発電用ガスタービンにおけるガスタービン燃焼器の制御方法において、定期検査又は試運転におけるガスタービン確認運転において、全燃料に対する予混合燃焼に要する燃料の比率である予混合燃料比率を順次変更し、変更点毎に燃焼状態の安定度とＮＯｘの値とを確認して、排ガス温度を計測して、低ＮＯｘ値で安定した燃焼状態での運転ができる予混合燃料比率の範囲を確認する手順と、前記予混合燃料比率の各変更に対応する排ガス温度の偏移特性を記憶部に入力設定する手順と、前記ガスタービン確認運転において、予混合燃料比率を変更して設定し、この設定時の排ガス温度を計測する手順と、前記記憶部に記憶した前記排ガス温度の偏移特性に基づいて、前記変更して設定した予混合燃料比率に対応する排ガス温度と、定格負荷運転計画値の予混合燃料比率に対応する排ガス温度とから排ガス温度補正値を算出する手順と、前記排ガス温度補正値と、前記設定時の排ガス温度の計測値とから補正排ガス温度を算出する手順と、前記補正排ガス温度に基づいて、燃料流量調節弁開度指令値を算出する手順とを備える。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記排ガス温度の偏移特性を前記記憶部に入力設定する手順は、前記予混合燃料比率の変更点毎に燃焼状態の安定度とＮＯｘの値とを確認しながら前記排ガス温度を計測し、前記予混合燃料比率値とこれに対応する前記排ガス温度の計測値とを入力することによって求められるものとする。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記排ガス温度補正値を算出する手順は、前記記憶部に記憶した前記排ガス温度の偏移特性から、前記変更して設定した予混合燃料比率に対応する排ガス温度を読みだす手順と、前記記憶部に記憶した前記排ガス温度の偏移特性から、定格負荷運転計画値の予混合燃料比率に対応する排ガス温度を読みだす手順と、前記変更して設定した予混合燃料比率に対応する排ガス温度から前記定格負荷運転計画値の予混合燃料比率に対応する排ガス温度を減算する手順とを備えたものとする。

更に、第４の発明は、第１乃至第３の発明のいずれかにおいて、前記発電用ガスタービンは、排ガス温度制御に基づく定格負荷出力運転が計画されているものとする。

本発明によれば、実運転で予混合燃料比率とガスタービン出口排ガス温度の関係を計測し、予混合燃料比率に対応した補正値を算出し、補正された排ガス温度に基づく燃料流量制御を行うので、定期検査及び／又は試運転における確認運転において、予混合燃料比率を大きく変動したとしても、排ガス温度制御における定格負荷での燃料流量は、計画値から大きく外れず、安定したガスタービン定格負荷出力が得られる。

本発明のガスタービン燃焼器の制御方法の一実施の形態が適用される発電用ガスタービンの構成を示す概念図である。本発明のガスタービン燃焼器の制御方法の一実施の形態が適用されるガスタービンを一部断面にて示す側面図である。図２に示すガスタービンをIII−III矢視から見たガスタービン排ガス温度計測用熱電対の設置位置の説明図である。本発明のガスタービン燃焼器の制御方法の一実施の形態が用いる排ガス温度のダクト半径方向温度分布を説明する特性図である。本発明のガスタービン燃焼器の制御方法の一実施の形態が用いる排ガス温度計測値と予混合燃料比率との関係を説明する特性図である。本発明のガスタービン燃焼器の制御方法の一実施の形態が用いる燃料流量調節弁開度指令信号を出力する制御ルーチンを説明する説明図である。

以下に、本発明のガスタービン燃焼器の制御方法の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明のガスタービン燃焼器の制御方法の一実施の形態が適用される発電用ガスタービンの構成を示す概念図、図２は、本発明のガスタービン燃焼器の制御方法の一実施の形態が適用されるガスタービンを一部断面にて示す側面図である。この図１及び図２において、発電用ガスタービンは、吸込み空気ａを圧縮して燃焼用の圧縮空気ｂを得る空気圧縮機３と、この空気圧縮機３からの圧縮空気ｂを燃料流量調節弁１で流量制御された燃料とともに燃焼して高温高圧の燃焼ガスｃを発生させる燃焼器２と、この燃焼器２からの燃焼ガスｃによってロータの回転動力を得るタービン４とを備えている。

燃焼器２に投入される燃料は、燃焼前に予め空気と混合する予混合燃料と、空気と混合せず燃焼器内に投入し拡散燃焼させる拡散燃料とに分配され、前者の燃料全体に占める割合を予混合燃料比率という。

タービン４のロータは、空気圧縮機３のロータと図示しない発電機に、それぞれ中間軸を介して連結している。このため、燃焼器２からの燃焼ガスｃの流体エネルギを回転エネルギに変換し、この回転エネルギを空気圧縮機ロータと発電機とに伝達して空気圧縮機３を駆動するとともに、発電機を発電させる。タービン４から排出される排ガスｄはタービン出口ダクト部５を介して大気放出される。

タービン出口ダクト部５には、ガスタービン排ガス温度計測用熱電対６が内部の排ガス流路に突出する態様で周方向に複数個設置されている。ガスタービン排ガス温度計測用熱電対６で検出された温度検出信号８は、制御装置７へ排ガス温度信号として入力される。制御装置７は、所定の制御アルゴリズム（詳細は後述する）に基づく演算を行う演算部７１と、各種のデータや設定値を記憶する記憶部７２と、外部との信号の入出力を行う入出力部とを備え、燃料流量調節弁１の弁開度指令信号９を出力している。

次に、本発明のガスタービン燃焼器の制御方法の一実施の形態におけるタービン出口ダクト部５のダクト断面半径方向温度分布と予混合燃料比率の関係を図３及び図４を用いて説明する。図３は、図２に示すガスタービンをIII−III矢視から見たガスタービン排ガス温度計測用熱電対の設置位置の説明図、図４は、本発明のガスタービン燃焼器の制御方法の一実施の形態が用いる排ガス温度のダクト半径方向温度分布を説明する特性図である。

図３においては、説明を簡便にするため、タービン出口ダクト部５の排ガス流路の周方向に複数設置されたガスタービン排ガス温度計測用熱電対６のうち、天井部に設置されたもののみを示している。図３において、Ｏはガスタービンの回転軸の中心を示し、中心Ｏからタービン出口ダクト部５内側壁、タービン出口ダクト部５外側壁、ガスタービン排ガス温度計測用熱電対までのそれぞれの鉛直上方向の距離をＡ、Ｂ、ｘで示している。図２及び図３に示すように、排ガスｄは、タービン出口ダクト部５の内側（Ａ−Ｂ間）をガス流路として通過して行く。

図４においては、横軸に排ガス温度Ｔｇを、縦軸にガスタービンの回転軸の中心Ｏからの半径方向の離間距離を示す。曲線Ｒｏは、予混合燃料比率Ｒを計画値Ｒｏとしてガスタービンを運転した場合の排ガス温度計測値と離間距離との関係を示す。つまり、タービン出口ダクト部５の内側における排ガス温度Ｔｇの半径方向の温度分布を示している。同様に、ガスタービンへの等しい投入燃料流量の下、予混合燃料比率ＲをＲｘとした場合の排ガス温度計測値と離間距離との関係を曲線Ｒｘで示している。

図４に示すように、このような排ガスの半径方向の温度分布において、予混合燃料比率ＲがＲｏの場合には、離間距離ＡとＢの略中間の部分で排ガス温度Ｔｇは最大値を示し、離間距離ｘの部分での排ガス温度Ｔｇｏとの温度差が大きい態様を示している。一方、予混合燃料比率ＲがＲｘの場合には、排ガス温度Ｔｇの最大値を示す部分は、予混合燃料比率ＲがＲｏの場合と同様であるが、離間距離ｘの部分での排ガス温度Ｔｇｘとこの最大値との温度差は、小さくなっていて、比較的均一な温度分布の態様を示している。

制御装置７には、ガスタービン排ガス温度計測用熱電対６が設置された中心Ｏからの離間距離ｘにおける排ガス温度Ｔｇが入力されている。つまり、予混合燃料比率Ｒを調整することによって、排ガス温度Ｔｇの計測値は、上述した離間距離ｘの部分での排ガス温度ＴｇｏからＴｇｘの間のいずれかの値に変化したものが入力される。

例えば、発電用ガスタービンが、予混合燃料比率Ｒｏにおいて、排ガス温度制御線上のいわゆる排ガス温度制御状態で運転されていた場合、このときの排ガス温度Ｔｇの計測値は、Ｔｇｏである。一方、予混合燃料比率ＲをＲｘとすると、同じ燃料流量が投入されているにも関わらず、排ガス温度Ｔｇの計測値は、Ｔｇｏよりも高い温度のＴｇｘになってしまう。Ｔｇｘより低い温度のＴｇｏが、排ガス温度制御線での設定値であることから、予混合燃料比率ＲがＲｘの場合には、燃料流量を減らすことにより、排ガス温度Ｔｇの計測値をＴｇｘからＴｇｏまで下げる必要が発生してしまう。この結果、発電用ガスタービンへの投入燃料流量が減じ、排ガス温度制御状態における発電機負荷出力が低下してしまう。本発明は、この点を補償するようにしたものである。

次に、本発明のガスタービン燃焼器の制御方法の一実施の形態における制御の手順について図５及び図６を用いて説明する。
図５は、本発明のガスタービン燃焼器の制御方法の一実施の形態が用いる排ガス温度計測値と予混合燃料比率との関係を説明する特性図、図６は、本発明のガスタービン燃焼器の制御方法の一実施の形態が用いる燃料流量調節弁開度指令信号を出力する制御ルーチンを説明する説明図である。これらの図において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは、同一又は相当する部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図５の特性は、例えば、発電用ガスタービンの定期検査又は試運転における確認運転において行われる、個々の燃焼器の固体差を考慮した予混合燃料比率Ｒの調整の際に取得されるデータから形成される。具体的には、予混合燃料比率Ｒの調整の際に、設定した予混合燃料比率Ｒｘで安定した運転状態における排気ガス温度ｔｇの計測値Ｔｇｘの値を採取する。予混合燃料比率Ｒは、計画値Ｒｏから、順次変更していくが、燃焼状態の安定度やＮｏｘの値等を監視しながらなるべく多数の点での各種値を計測することが望ましい。これらの計測値は、例えばキイボードやディスプレイ装置などの入力装置から直接制御装置７に入力され、記憶部７２に記憶される。

このような計測値の入力の結果、例えば、図５に示すような予混合燃料比率Ｒと排ガス温度Ｔｇとの偏移特性が得られる。図４及び図５に示すように、予混合燃料比率Ｒを計画値ＲｏからＲｘへ変更すると、排ガス温度Ｔｇの計測値は、ＴｇｏからＴｇｘへと変動し、温度差として以下に示すΔＴｇｘが発生する。このΔＴｇｘは、上記特性とともに制御装置７の記憶部７２に記憶される。

ΔＴｇｘ＝Ｔｇｘ−Ｔｇｏ・・・・（１）
上記（１）において、Ｔｇｘは、予混合燃料比率をＲｘとしたときの排ガス温度計測値、Ｔｇｏは、定格負荷運転時の排ガス温度計画値であり、ΔＴｇｘは温度補正値として演算される。

図６は、制御装置７内における燃料流量調節弁開度指令を出力するまでの制御ルーチンを説明する説明図である。上述したように、制御装置７の記憶部７２には、定格負荷運転計画値の予混合燃料比率Ｒｏ、排気ガス温度Ｔｇの定格負荷運転時の計画値Ｔｇｏ、及び、図５に示す排気ガス温度Ｔｇの計測値と予混合燃料比率Ｒとの偏移特性データ等が記憶されている。
まず、上述した定期検査又は試運転における確認運転において、予混合燃料比率ＲをＲｘ´に変更した場合には、制御装置７には、新たに、変更した予混合燃料比率Ｒｘ´と、この予混合燃料比率Ｒｘ´で運転したときの排気ガス温度Ｔｇの計測値Ｔｇｘ´が入力される。

次に、制御装置７の演算部７１において、処理Ｆ１が実行される。具体的には、入力された予混合燃料比率Ｒｘ´と、記憶部７２から読み出した図５に示す排ガス温度Ｔｇ計測値と予混合燃料比率Ｒとの偏移特性データとを照合し、排ガス温度Ｔｇｘを算出する。また、この算出した排ガス温度Ｔｇｘから、（１）の式の演算を行い、温度補正値ΔＴｇｘを算出する。

次に、制御装置７の演算部７１において、処理Ｆ２が実行される。具体的には、処理Ｆ１の出力である温度補正値ΔＴｇｘを下記の式に導入し、温度補正された弁開度制御入力用温度Ｔｇｃｘを算出する。

Ｔｇｃｘ＝Ｔｇｘ´−ΔＴｇｘ・・・・（２）
上記（２）において、Ｔｇｘ´は、予混合燃料比率Ｒｘ´で運転したときの排ガス温度Ｔｇの計測値である。

次に、制御装置７の演算部７１において、処理Ｆ３が実行される。具体的には、処理Ｆ２の出力である温度補正された弁開度制御入力用温度Ｔｇｃｘを導入し、燃料流量調節弁開度指令値Ｖｘを算出する。このＶｘは、入出力装置を介して燃料流量調節弁に弁開度指令信号９として出力される。

従来は、温度補正値ΔＴｇｘ等の制御ルーチンが設けられていないため、予混合燃料比率の調整の結果生じる排ガス温度分布の変動により、燃料流量調節弁開度指令値Ｖｘが変動していた。本発明の実施の形態では、上述した温度補正値ΔＴｇｘを用いることでこの影響を排除した制御が可能となる。

本発明のガスタービン燃焼器の制御方法の一実施の形態によれば、実運転で予混合燃料比率Ｒとガスタービン排気ガス温度Ｔｇの関係を計測し、予混合燃料比率Ｒに対応した補正値ΔＴｇｘを算出し、補正された排気ガス温度に基づく燃料流量制御を行うので、定期検査又は試運転における確認運転において、予混合燃料比率Ｒを大きく変動したとしても、排気ガス温度制御における定格負荷での燃料流量は、計画値から大きく外れず、安定したガスタービン定格負荷出力が得られる。

１燃料流量調節弁
２燃焼器
３空気圧縮機
４タービン
５タービン出口ダクト部
６ガスタービン排ガス温度計測用熱電対
７制御装置
７１演算部
７２記憶部
ａ吸込み空気
ｂ圧縮空気
ｃ燃焼ガス
ｄ排ガス
Ｒ予混合燃料比率
Ｔｇ排ガス温度

Claims

予混合燃焼方式の発電用ガスタービンにおけるガスタービン燃焼器の制御方法において、
定期検査又は試運転におけるガスタービン確認運転において、全燃料に対する予混合燃焼に要する燃料の比率である予混合燃料比率を順次変更し、変更点毎に燃焼状態の安定度とＮＯｘの値とを確認して、排ガス温度を計測して、低ＮＯｘ値で安定した燃焼状態での運転ができる予混合燃料比率の範囲を確認する手順と、
前記予混合燃料比率の各変更に対応する排ガス温度の偏移特性を記憶部に入力設定する手順と、
前記ガスタービン確認運転において、予混合燃料比率を変更して設定し、この設定時の排ガス温度を計測する手順と、
前記記憶部に記憶した前記排ガス温度の偏移特性に基づいて、前記変更して設定した予混合燃料比率に対応する排ガス温度と、定格負荷運転計画値の予混合燃料比率に対応する排ガス温度とから排ガス温度補正値を算出する手順と、
前記排ガス温度補正値と、前記設定時の排ガス温度の計測値とから補正排ガス温度を算出する手順と、
前記補正排ガス温度に基づいて、燃料流量調節弁開度指令値を算出する手順とを備えた
ことを特徴とするガスタービン燃焼器の制御方法。
請求項１記載のガスタービン燃焼器の制御方法において、
前記排ガス温度の偏移特性を前記記憶部に入力設定する手順は、前記予混合燃料比率の変更点毎に燃焼状態の安定度とＮＯｘの値とを確認しながら前記排ガス温度を計測し、前記予混合燃料比率値とこれに対応する前記排ガス温度の計測値とを入力することによって求められる
ことを特徴とするガスタービン燃焼器の制御方法。
請求項１又は２に記載のガスタービン燃焼器の制御方法において、
前記排ガス温度補正値を算出する手順は、前記記憶部に記憶した前記排ガス温度の偏移特性から、前記変更して設定した予混合燃料比率に対応する排ガス温度を読みだす手順と、
前記記憶部に記憶した前記排ガス温度の偏移特性から、定格負荷運転計画値の予混合燃料比率に対応する排ガス温度を読みだす手順と、
前記変更して設定した予混合燃料比率に対応する排ガス温度から前記定格負荷運転計画値の予混合燃料比率に対応する排ガス温度を減算する手順とを備えた
ことを特徴とするガスタービン燃焼器の制御方法。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器の制御方法において
前記発電用ガスタービンは、排ガス温度制御に基づく定格負荷出力運転が計画されている
ことを特徴とするガスタービン燃焼器の制御方法。