JP5800419B2 - ガスタービン及びガスタービンの燃焼制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン及びガスタービンの燃焼制御方法に関する。

従来より、環境保全の観点から、発電効率の向上を狙った高い燃焼温度の条件下においても、ＮＯｘの発生量を抑制できるガスタービンの開発が進められてきた。
具体的には、ＮＯｘを低減するために、燃料と空気との予混合気を燃焼させて予混合火炎を形成するメインノズルを備えた燃焼器を用いる。また、メインノズルによる予混合燃焼だけでは燃焼状態が不安定になるため、燃料を拡散燃焼させるパイロットノズルも併用する。これにより、パイロットノズルによる拡散燃焼で形成された拡散火炎（パイロット火炎）からの火移りによって、メインノズルから噴射された燃料と空気との予混合気が燃焼されて、予混合火炎の安定性を向上させている。

メインノズルとパイロットノズルを併用した燃焼器では、パイロットノズルに供給される燃料流量の全燃料流量に対する割合を示すパイロット比（拡散燃料比）を大きくすると、燃焼器における燃焼安定性が向上するものの、ＮＯｘが増加する傾向にある。そのため、燃焼安定性とＮＯｘ低減とをバランス良く両立するために、パイロットノズルとメインノズルへの燃料供給量の配分比を適切に制御する必要がある。
各ノズルへの燃料供給量の配分比を制御する手法として、例えば、特許文献１（図５及び２２参照）のように、電力計で実測した発電機出力、ＩＧＶ開度、圧縮機の吸気温度、大気圧比等から燃焼負荷指令値を求め、この燃焼負荷指令値に基づいてパイロット比を決定する方法が挙げられる。

一方、ガスタービンは、大気温度が高くなると、圧縮機への吸入空気の密度が低下することから、ガスタービン出力が低下するという特性がある。そのため、大気温度が高い夏場（特に昼間の電力需要ピーク時）に発電出力を増加させる対策として、ガスタービンの吸入空気を冷却して空気密度を高める吸気冷却装置を用いることがある（例えば、特許文献２の図１及び３、特許文献３の図１〜４、並びに、特許文献４の図１参照）。

特開２００７−７７８６６号公報 特許第４６１０７１７号公報 特開２００３−９７２９５号公報 特開２００８−１７５０９８号公報

しかしながら、吸気冷却装置の作動により、吸気温度の低下や吸入空気の湿分増加によって燃焼器内の燃焼状態が変化し、各ノズルの燃料配分比の適正条件がシフトする結果、火炎が不安定になり燃焼振動が発生する場合がある。
また、吸気冷却装置には、吸気室に設置したメディアの上部から冷却水を流下させて冷却水の蒸発潜熱によって吸入空気を冷却するエバクーラ方式や、ミスト（霧状の水）をスプレーから噴霧して噴霧ミストの蒸発潜熱によって吸入空気を冷却するフォグ方式がある。これらの方式の吸気冷却装置は、冷却水又は噴霧ミストを吸入空気にじかに接触させて冷却を行うため、吸入空気への湿分増加量が多い。また、吸気冷却装置は、吸気フィルタの後段に設置されるのが一般的であり、吸気冷却装置によって湿分が増加した吸入空気は、そのまま圧縮機側に流れていく。よって、エバクーラ方式やフォグ方式の吸気冷却装置を用いる場合、冷却水又はミストとの接触により飽和状態になった吸入空気が、圧縮機を介して燃焼器に流入するため、燃焼器内の燃焼状態に大きく影響する。

この点、特許文献２〜４には、吸気冷却装置の作動によって起こる燃料配分比の適正条件のシフトについての対策が何ら開示されていない。
例えば、特許文献４の高湿分空気利用ガスタービンには、圧縮機への吸入空気を冷却するための吸気噴霧装置が設けられているが、該吸気噴霧装置の作動によって起こる燃料配分比の適正条件のシフトについての対策は当該文献には開示されていない。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、吸気冷却装置の作動によって燃料配分比の適正条件がシフトしても、火炎の安定性を維持しうるガスタービン及びガスタービンの燃焼制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係るガスタービンは、拡散燃焼用燃料を燃焼させて拡散火炎を形成するとともに、予混合燃焼用燃料を燃焼させて予混合火炎を形成する燃焼器と、前記燃焼器に燃焼用空気としての圧縮空気を供給する圧縮機と、前記圧縮機に吸入される外気を冷却する吸気冷却装置と、前記燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンと、前記吸気冷却装置の作動時に、前記拡散燃焼用燃料の全燃料流量に対する割合を示す拡散燃料比を増大させる燃焼コントローラとを備えることを特徴とする。

このガスタービンによれば、燃焼コントローラによって吸気冷却装置の作動時に拡散燃料比を増大させるようにしたので、吸気冷却装置の作動により燃料配分比の適正条件がシフトしても、火炎の安定性を確保することができる。

上記ガスタービンにおいて、前記燃焼コントローラは、前記吸気冷却装置が非作動状態から作動状態に切り替わった時点から所定時間経過後に前記拡散燃料比の増大を開始するようになっていてもよい。
吸気冷却装置が非作動状態から作動状態に切り替わっても、その影響が即座に燃料配分比の適正条件のシフトとして表れるわけではない。これは、吸気冷却装置の起動後、吸入空気の温度低下や湿分増加が起きるまでにタイムラグが存在するためである。例えば、吸気冷却装置がエバポレーティブクーラの場合、メディアに冷却水を供給するために冷却水ポンプを稼働させてから、メディアに冷却水が供給されて、実際に吸入空気の温度低下及び湿分増加が起きるまでに時間を要する。
そこで、上述のように、吸気冷却装置が非作動状態から作動状態に切り替わった時点から所定時間（上記タイムラグに相当する時間）だけ経過した後に拡散燃料比の増大を開始させることで、吸気冷却装置の作動による燃焼器内の燃焼状態の変化に応じて適切に燃焼制御を行うことができる。

なお、前記燃焼コントローラは、燃料負荷指令値および全燃料流量指令値の少なくとも一方に基づいて決定した前記拡散燃料比にバイアス値を加算して、該拡散燃料比を増大させるようにしてもよい。
これにより、バイアス値の量を任意に調整することで、吸気冷却装置の作動による燃焼器内の燃焼状態の変化に応じて適切に燃焼制御を行うことができる。

そして、燃料負荷指令値および全燃料流量指令値の少なくとも一方に基づいて決定した拡散燃料比にバイアス値を加算する場合、前記燃焼コントローラは、前記吸気冷却装置が非作動状態から作動状態に切り替わった時点から前記所定時間経過後から前記バイアス値をゼロから所定値に向けて時間経過とともに増加させ、前記所定値に達した後は該所定値に前記バイアス値を維持してもよい。
吸気冷却装置の作動による燃料配分比の適正条件のシフトは急激に起こるわけではない。例えば、吸気冷却装置がエバポレーティブクーラの場合、メディア全体に冷却水が行きわたって定常状態に達するまで、吸入空気の温度低下及び湿分増加の程度は徐々に増加していく。
そこで、吸気冷却装置が非作動状態から作動状態に切り替わった時点から所定時間経過後、急に大きなバイアス値を付与するのではなく、バイアス値を時間経過とともにゼロから所定値まで増加させることで、吸気冷却装置の作動による燃焼器内の燃焼状態の変化に応じて適切に燃焼制御を行うことができる。

このようにバイアス値をゼロから所定値に向けて時間経過とともに増加させ、前記所定値に達した後は該所定値にバイアス値を維持する場合、前記バイアス値は、前記燃料負荷指令値および全燃料流量指令値の少なくとも一方に基づいて決定したバイアス量に、時間経過に対応するバイアス比を乗算したものであってもよい。
これにより、バイアス量の大きさと、バイアス比の変化速度とを任意に設定することで、吸気冷却装置の作動による燃焼器内の燃焼状態の変化に応じてより適切に燃焼制御を行うことができる。

また、前記燃料コントローラは、前記吸気冷却装置が作動状態から非作動状態に切り替わった時点から所定時間経過後に前記バイアス値をゼロに向けて減少させ始め、該バイアス値がゼロに達した後は前記バイアス値をゼロに維持してもよい。
吸気冷却装置が作動状態から非作動状態に切り替わると、吸入空気の温度上昇及び湿分減少が起こり、吸気冷却装置の作動によりシフトしていた燃料配分比の適正条件が元の状態に戻ろうとする。そこで、上述のように、吸気冷却装置が作動状態から非作動状態に切り替わった時点から所定時間（待機時間）経過後にバイアス値をゼロに向けて減少させ始め、該バイアス値がゼロに達した後はバイアス値をゼロに維持することで、吸気冷却装置の停止による燃焼器内の燃焼状態の変化に応じて適切に燃焼制御を行うことができる。
なお、吸気冷却装置を停止させてからバイアス値の減少を開始するまでの待機期間（所定時間）は、吸気冷却装置の特性に応じて決めることが好ましい。例えば、吸気冷却装置がエバポレーティブクーラの場合、エバポレーティブクーラを停止してから冷却水の蒸散によりメディアが乾燥するまでの時間を待機期間としてもよい。ここで、大気の湿度によってもメディアが乾燥するまでの時間は異なるが、想定しうる高湿度条件下にて求めた待機時間を採用すれば、大気の湿度条件によらずに火炎の安定性を維持できる。

また本発明に係るガスタービンの燃焼制御方法は、拡散燃焼用燃料を燃焼させて拡散火炎を形成するとともに、予混合燃焼用燃料を燃焼させて予混合火炎を形成する燃焼器と、前記燃焼器に燃焼用空気としての圧縮空気を供給する圧縮機と、前記圧縮機に吸入される外気を冷却する吸気冷却装置と、前記燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備えるガスタービンの燃焼制御方法であって、前記吸気冷却装置の作動時に、前記拡散燃焼用燃料の全燃料流量に対する割合を示す拡散燃料比を増大させることを特徴とする。

この燃焼制御方法によれば、吸気冷却装置の作動時に拡散燃料比を増大させるようにしたので、吸気冷却装置の作動により燃料配分比の適正条件がシフトしても、火炎の安定性を確保することができる。

本発明によれば、吸気冷却装置の作動時に拡散燃料比を増大させるようにしたので、吸気冷却装置の作動により燃料配分比の適正条件がシフトしても、火炎の安定性を確保することができる。

ガスタービンの構成例を示す図である。 図１のガスタービンの吸気冷却装置の構成例を示す図である。 図１のガスタービンの燃焼器の構成例を示す図である。 燃焼器のパイロットノズル及びメインノズル周辺の構造を示す図である。 燃焼コントローラにおけるパイロット比の設定ロジックを示すブロック図である。 燃焼負荷指令値とパイロット比との関数の一例を示す図である。 燃焼負荷指令値とバイアス量との関数の一例を示す図である。 バイアス比の経時変化の一例を示す図であり、（Ａ）はバイアス値の付与開始時におけるバイアス比の経時変化を示し、（Ｂ）はバイアス値の付与終了時におけるバイアス比の経時変化を示している。 各ノズルの燃料配分比の経時変化を示すグラフである。 燃焼負荷指令値を算出するロジックを示すブロック図である。 全燃料流量指令値を算出するロジックを示すブロック図である。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、ガスタービンの構成例を示す図である。図２は、図１のガスタービンの吸気冷却装置の構成例を示す図である。図３は、図１のガスタービンの燃焼器の構成例を示す図である。図４は、燃焼器のパイロットノズル及びメインノズル周辺の構造を示す図である。

図１に示すように、ガスタービン１は、圧縮空気を生成する圧縮機２と、この圧縮機２から供給される圧縮空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼器４と、圧縮機２と共通の回転軸５を有し、燃焼器４で生成した燃焼ガスによって駆動されるタービン６とを備える。回転軸５には、発電機８が連結されている。圧縮機２の吸気量は、圧縮機２の入口に設けられた入口案内翼（ＩＧＶ）３Ａの開度をアクチュエータ３Ｂによって変化させることで調節可能である。
なお、電力計（ＭＷトランスデューサー）７は、発電機８で生成された電力（発電機出力）を計測するために用いられる。また、温度センサ９は、圧縮機２の入口における温度（吸気温度）を計測するために用いられる。

圧縮機２に吸入される大気が流れる吸気系統には、吸気冷却装置１０が設けられている。吸気冷却装置１０は、図２に示すように、吸気室１２内に配置されたメディア１４と、冷却水を冷却水循環路１５内で循環させる冷却水ポンプ１６と、冷却水ポンプ１６のＯＮ／ＯＦＦを制御するクーラ制御装置１８とにより構成される。
また、吸気室１２の入口には吸気フィルタ１３が設けられている。さらに、吸気室１２の後流側には吸気ダクト１９が設けられ、吸気室１２と圧縮機２とは吸気ダクト１９によって接続されている。

図２に示す例では、吸気冷却装置１０は、冷却水循環路１５から供給される冷却水をメディア１４の上部から流下させて、冷却水の蒸発潜熱によって、吸気フィルタ１３を通って吸気室１２内に取り込まれた外気を冷却する所謂エバポレーティブクーラである。
なお、エバポレーティブクーラに替えて、ミスト（霧状の水）をスプレーから噴霧して、噴霧ミストの蒸発潜熱によって、吸気フィルタ１３を通って吸気室１２に吸い込まれた外気を冷却するフォグ方式の吸気冷却装置１０を採用してもよい。

燃焼器４は、図３に示すように、円筒状の内筒２０の中心位置にパイロットバーナ２２が配置され、このパイロットバーナ２２の周囲を取り囲むように複数（たとえば８本）のメインバーナ３０が内筒２０の周方向に等ピッチで配置された構成を有する。

パイロットバーナ２２は、図４に示すように、パイロット燃料を供給するパイロットノズル２３と、パイロットノズル２３の先端部を取り囲むように設けられた筒状部材２４とを備える。筒状部材２４の下流側端部は拡径されてパイロットコーン２５を形成している。また、筒状部材２４は、パイロットノズル２３との間にパイロット空気流路２６を形成しており、パイロット空気流路２６には圧縮空気（パイロット空気）が流れるようになっている。またパイロット空気流路２６には、パイロット空気の流れに旋回を与えるパイロットスワラ２７が設けられている。パイロットスワラ２７を通過したパイロット空気は、パイロットノズル２３の燃料噴射口２３Ａから噴射されたパイロット燃料の拡散燃焼に用いられる。パイロット燃料の燃焼によって、燃料噴射口２３Ａの位置から下流側に向けて拡散火炎２８が形成される。また、パイロットコーン２５の下流側には、拡散火炎２８からの高温燃焼ガスが後述の予混合火炎３４の保炎点としての役割を果たす。

メインバーナ３０は、メイン燃料を供給するメインノズル３１と、メインノズル３１の周囲に形成されてメイン空気を供給するメイン空気流路３２とを備えている。メインノズル３１に供給されたメイン燃料は、メインノズル３１から噴射された後、メイン空気流路３２を通って供給されたメイン空気と混合されて予混合気となる。なお、メイン空気流路３２には、メイン空気の流れに旋回を与えるメインスワラ３３が設けられており、メイン空気とメイン燃料との予混合を促進するようになっている。こうして得られた予混合気は、保炎用低速域２９における高温低速の燃焼ガスによって着火燃焼され、予混合火炎３４が形成される。

また、パイロットバーナ２２及びメインバーナ３０よりも上流側には、図３に示すように、複数のトップハットノズル３５が設けられている。トップハットノズル３５は、内筒２０と該内筒２０を取り囲む外筒３６との間の環状空間内に配置される。
トップハットノズル３５から噴射されたトップハット燃料は、圧縮空気に混入され、圧縮空気とともに下流側のパイロットバーナ２２及びメインバーナ３０に向かって流れていく。そのため、パイロット空気流路２６を流れるパイロット空気と、メイン空気流路３２を流れるメイン空気とには、トップハットノズル３５からのトップハット燃料が混入されており、燃焼安定性が改善されるとともに、ＮＯｘ低減化を図るようになっている。

パイロットノズル２３、メインノズル３１及びトップハットノズル３５は、それぞれ、流量調節弁（３７，３８，３９）により、独立して燃料流量が調節されるようになっている。そして、各ノズル（２３，３１，３５）への燃料配分比は、図１に示す燃焼コントローラ４０によって決定される。
ここで、パイロットノズル２３によって形成される拡散火炎は保炎性に優れるため、パイロットノズル２３に供給されるパイロット燃料ガスの全燃料流量に対する割合であるパイロット比（拡散燃料比）を大きくすると燃焼を安定化できる。一方、メインノズル３１によって形成される予混合火炎は燃焼温度を下げることができるため、メインノズル３１に供給されるメイン燃料ガスの全燃料流量に対する割合（予混合燃料比）を大きくするとＮＯｘを低減することができる。また、トップハットノズル３５自体は独自の火炎を形成するわけではないが、トップハットノズル３５からのトップハット燃料はパイロット空気及びメイン空気に予め混合されて、パイロットバーナ２２及びメインバーナ３０の燃焼性の改善とＮＯｘ低減に寄与する。
よって、燃焼安定性を維持しながらＮＯｘを低減するためには、各ノズルの特性を考慮して、燃焼コントローラ４０により各ノズルへの燃料配分比を適切に調節する必要がある。

図５は、燃焼コントローラ４０においてパイロット比（拡散燃料比）を設定するロジックを示すブロック図である。図６は、燃焼負荷指令値とパイロット比との関数の一例を示す図である。図７は、燃焼負荷指令値とバイアス量との関数の一例を示す図である。図８はバイアス比の経時変化の一例を示す図であり、図８（Ａ）はバイアス値の付与開始時におけるバイアス比の経時変化を示し、図８（Ｂ）はバイアス値の付与終了時におけるバイアス比の経時変化を示している。

図５に示すように、燃焼コントローラ４０は、燃焼負荷指令値（ＣＬＣＳＯ）を関数発生器４２に入力してパイロット比ａを求める。関数発生器４２は、図６に示す関数を用いて、入力された燃焼負荷指令値（ＣＬＣＳＯ）に対応するパイロット比ａを出力する。ここで、燃焼負荷指令値（ＣＬＣＳＯ）とは、詳細は後述するが、タービン６の入口における燃焼ガス温度を無次元化したパラメータである。なお、パイロット比ａは、関数発生器４２からの出力値に対して吸気温度に基づく補正を行ったものを用いてもよい。
関数発生器４２から出力されたパイロット比ａは、加算器４４に入力されて、次に説明するバイアス値算出部５０で求めたバイアス値ｂが加算される。

バイアス値算出部５０は、バイアス量を決定するための関数発生器５２と、バイアス値ｂに変化レートを付与するためのレート設定器５４と、吸気冷却装置１０の作動状態に応じてバイアス値ｂの加算を行うか否かを切り替える切替器５６とで構成される。

関数発生器５２は、図７に示す関数を用いて、燃焼負荷指令値（ＣＬＣＳＯ）に対応するバイアス量を出力する。なお、図７には、燃焼負荷指令値によらずバイアス量が一定である例を示したが、関数発生器５２が用いる関数はこの例に限定されず、燃焼負荷指令値に応じてバイアス量が変化する関数であってもよい。

レート設定器５４は、所定の経時変化を示すバイアス比を出力し、このバイアス比を切替器５６に入力する。この際、吸気冷却装置１０が非作動状態から作動状態に切り替わったときは図８（Ａ）に示すバイアス比を切替器５６に入力し、吸気冷却装置１０が作動状態から非作動状態に切り替わったときは図８（Ｂ）に示すバイアス比を切替器５６に入力する。
具体的には、吸気冷却装置１０の起動時（非作動状態から作動状態への切り替え時）、レート設定器５４は、図８（Ａ）に示すように、バイアス比をゼロから１まで時間とともに一定の速度で増加させ、１に達したあとはそのまま一定に維持し、経過時間に対応するバイアス比を出力する。一方、吸気冷却装置１０の停止時（作動状態から非作動状態への切り替え時）、レート設定器５４は、図８（Ｂ）に示すように、バイアス比を１からゼロまで時間とともに一定の速度で減少させ、経過時間に対応するバイアス比を出力する。

切替器５６には、レート設定器５４からのバイアス比だけでなく、シグナルジェネレータ５８で生成されたゼロの値も入力される。
切替器５６は、吸気冷却装置１０が非作動状態から作動状態に切り替わった時点から所定時間Δｔ_１だけ経過した後、吸気冷却装置１０が非作動状態に切り替わってさらに所定時間Δｔ_２経過するまでの期間（図１０に示す期間Ａ）において、レート設定器５４から入力された図８（Ａ）に示すバイアス比を出力する。
また、切替器５６は、吸気冷却装置１０が作動状態から非作動状態に切り替わった時点から所定時間Δｔ_２だけ経過した後、バイアス比が１からゼロに減少されるまでの期間（図１０に示す期間Ｂ）において、レート設定器５４から入力された図８（Ｂ）に示すバイアス比を出力する。
それ以外の期間（図１０に示す期間Ｃ）は、切替器５６はシグナルジェネレータ５８で生成されたゼロの値を選択して出力する。すなわち、吸気冷却装置１０が作動状態から非作動状態に切り替わり、レート設定器５４によってバイアス比が１からゼロに減少された後、吸気冷却装置１０が再び作動状態に切り替わり所定時間Δｔ_１経過するまでの期間において、切替器５６はゼロの値を出力する。

そして、切替器５６から出力された値は、乗算器５９において、関数発生器５２から出力されるバイアス量と乗算されて、バイアス値ｂが得られる。この際、レート設定器５４から出力されたバイアス比が切替器５６から出力されれば、乗算器５９において、バイアス比とバイアス量とが乗算され、バイアス値ｂに変化レートが付与される。一方、シグナルジェネレータ５８から出力されたゼロの値が切替器５６から出力されれば、バイアス値ｂはゼロになって、パイロット比ａへのバイアス値ｂの加算は行わないことになる。

このようにしてバイアス値算出部５０によって得られたバイアス値ｂは、加算器４４に入力されて、関数発生器４２から出力されたパイロット比ａに加算される。パイロット比ａとバイアス値ｂとの和は、吸気冷却装置１０の作動・非作動による燃焼器４内の燃焼状態の変化を考慮した新たなパイロット比として燃焼制御に用いられる。
すなわち、パイロット比ａとバイアス値ｂとの和は、乗算器４６において、全燃料流量指令値（ＣＳＯ）と乗算され、パイロット弁開度指令値が決定される。そして、決定されたパイロット弁開度指令値に基づいて、燃焼コントローラ４０は、流量調節弁３７の開度を制御して、パイロットノズル２３へのパイロット燃料の供給量を調節する。
なお、全燃料流量指令値（ＣＳＯ）は、詳細は後述するが、各ノズル（２３，３１，３５）に供給される全燃料流量に相当するパラメータであり、弁開度指令値と称されることもある。

図９は、各ノズルの燃料配分比の経時変化を示すグラフである。同図に示すように、吸気冷却装置１０が、時刻ｔ_Ａにおいて非作動状態から作動状態に切り替えられ、時刻ｔ_Ｂにおいて作動状態から非作動状態に再び切り替えられた場合について説明する。

燃焼コントローラ４０は、時刻ｔ_Ａに吸気冷却装置１０が作動状態に切り替えられたことを知らせる信号をクーラ制御装置１８から受け取る。時刻ｔ_Ａから所定時間Δｔ_１経過するまでの期間（期間Ｃ）は、シグナルジェネレータ５８で生成されたゼロの値が切替器５６によって選択されているため、パイロット比のバイアス値ｂはゼロである。よって、吸気冷却装置１０が作動しても、時刻ｔ_Ａから所定時間Δｔ_１経過するまでは、パイロット比は増加せず、それまでと同じ値である。

時刻ｔ_Ａから所定時間Δｔ_１経過すると、レート設定器５４から出力されるバイアス比（図８（Ａ）参照）が切替器５６によって選択される。レート設定器５４から出力されるバイアス比は、いずれも、ゼロから１まで時間とともに一定の速度で増加し、１に達した後はそのまま維持される。一方、関数発生器５２から出力されるバイアス量は時間によらず一定である。そのため、パイロット比のバイアス値ｂは、時間とともにゼロから所定値（バイアス量）になるまでバイアス比によって決まる一定の変化レートで増加する。よって、吸気冷却装置１０が作動した時点ｔ_Ａから所定時間Δｔ_１経過後に、パイロット比が増大し始めて、所定値に達する。
その後、吸気冷却装置１０が時刻ｔ_Ｂにおいて非作動状態に切り替えられ、時刻ｔ_Ｂから所定時間Δｔ_２だけ経過するまでは、パイロット比は一定に維持される。
このように、時刻ｔ_Ａから所定時間Δｔ_１経過した後、時刻ｔ_Ｂから所定時間Δｔ_２だけ経過するまでの期間（期間Ａ）では、レート設定器５４からのバイアス値付与開始時のバイアス比（図８（Ａ）参照）によって変化レートが付与されたバイアス値ｂが、パイロット比に加算される。

時刻ｔ_Ｂから所定時間Δｔ_２経過すると、レート設定器５４から出力されるバイアス比（図８（Ｂ）参照）が切替器５６によって選択される。レート設定器５４から出力されるバイアス比は、いずれも、１からゼロまで時間とともに一定の速度で減少するものである。一方、関数発生器５２から出力されるバイアス量は時間によらず一定である。そのため、パイロット比のバイアス値ｂは、時間とともに所定値（バイアス量）からゼロになるまでバイアス比によって決まる一定の変化レートで減少する。よって、吸気冷却装置１０が非作動になった時点ｔ_Ｂから所定時間Δｔ_２経過後に、パイロット比が減少し始めて、ゼロに達する。
このように、時刻ｔ_Ｂから所定時間Δｔ_２だけ経過した後、バイアス値ｂがゼロになるまでの期間（期間Ｂ）では、レート設定器５４からのバイアス値付与終了時のバイアス比（図８（Ｂ）参照）によって変化レートが付与されたバイアス値ｂが、パイロット比に加算される。

その後、切替器５６は、レート設定器５４から出力されるバイアス比に替えて、シグナルジェネレータ５８で生成されたゼロの値を選択するようになり、バイアス値ｂはゼロのまま維持される（つまり、パイロット比ａへのバイアス値ｂの加算は行われない）。よって、パイロット比は、関数発生器４２から出力されるパイロット比ａの値がそのまま用いられる。このように、シグナルジェネレータ５８で生成されたゼロの値を選択器５６が選択する状態は、吸気冷却装置１０が次回起動されてから所定時間Δｔ_１経過するまで続く。

［燃焼負荷指令値（ＣＬＣＳＯ）の算出］
ここで、図５に示すロジックで入力値として用いる燃焼負荷指令値（ＣＬＣＳＯ）の算出例について説明する。

燃焼負荷指令値（ＣＬＣＳＯ）は、タービン６の入口における燃焼ガスの温度（タービン入口燃焼ガス温度）を無次元化したパラメータであり、燃焼負荷指令値は少なくとも発電機出力の実測値に基づいて決定される。燃焼負荷指令値は、タービン入口燃焼ガス温度が下限値のときの燃焼負荷指令値が０％、タービン入口燃料ガス温度が上限値のときの燃焼負荷指令値が１００％となるように設定される。例えば、タービン入口燃焼ガス温度の下限値を７００℃、上限値を１５００℃としたとき、燃焼負荷指令値は下記式（１）で表される。

ただし、７００℃ＭＷとはタービン入口燃焼ガス温度が７００℃のときの発電機出力であり、１５００℃ＭＷとはタービン入口燃焼ガス温度が１５００℃のときの発電機出力である。また、上記式（１）において、発電機出力の実測値とは電力計７による発電機出力の計測結果である。

図１０は、燃焼負荷指令値を算出するロジックを示すブロック図である。同図に示すように、温度センサ９にて計測された圧縮機２の入口温度（吸気温度）、および、入口案内翼３Ａの開度の指令値（ＩＧＶ開度指令値）から、関数発生器８０Ａで生成された関数を用いて、７００℃ＭＷが算出される。同様に、温度センサ９にて計測された圧縮機２の入口温度（吸気温度）、および、入口案内翼３Ａの開度の指令値（ＩＧＶ開度指令値）から、関数発生器８０Ｂで生成された関数を用いて、１５００℃ＭＷが算出される。すなわち、吸気温度及びＩＧＶ開度指令値が基準値である場合における７００℃ＭＷ及び１５００℃ＭＷの既知の値を、実際の吸気温度およびＩＧＶ開度指令値によって補正して７００℃ＭＷ及び１５００℃ＭＷを求める。
このようにして得られた７００℃ＭＷおよび１５００℃ＭＷには、吸気圧力（大気圧）の実測値に基づく補正処理が施される。すなわち、除算器８１において、吸気圧力（大気圧）の実測値を、シグナルジェネレータ８２で設定された標準大気圧で除算して吸気圧比（＝吸気圧力／標準大気圧）を求める。乗算器８３Ａ，８３Ｂでは、関数発生器８０Ａ及び８０Ｂを用いてそれぞれ求めた７００℃ＭＷと１５００℃ＭＷに、除算器８１で求めた吸気圧比を乗算する。これにより、吸気圧比を考慮した７００℃ＭＷおよび１５００℃ＭＷの値が得られる。
減算器８４では、電力計７で計測された発電機出力から、乗算器８３Ａで求めた７００℃ＭＷを減算し、上記数式（１）の分子を求める。一方、減算器８５では、乗算器８３Ｂで求めた１５００℃ＭＷから、乗算器８３Ａで求めた７００℃ＭＷを減算して、上記数式（１）の分母を求める。除算器８６では、減算器８４で求めた上記数式（１）の分子を、減算器８５で求めた上記数式（１）の分母で除算して、ＣＬＣＳＯを求める。
なお、レート制限部８７は、発電機出力の微小変動によってＣＬＣＳＯが微小変動して、流量調節弁（３７，３８，３９）の開閉動作を頻繁に繰り返すことがないようにするため、除算器８６によるＣＬＣＳＯの算出結果を所定の増減レートに制限して出力する。

［全燃料流量指令値（ＣＳＯ）の算出］
次に、図５に示すロジックで入力値として用いる全燃料流量指令値（ＣＳＯ）の算出例について説明する。図１１は、全燃料流量指令値を算出するロジックを示すブロック図である。

ガバナ制御器９０は、ガスタービン１（回転軸５）の回転速度の計測値を入力信号として受け取って、ガスタービン１の回転速度を目標値に一致させるように全燃料流量を制御するための指令値ＧＶＣＳＯを出力する。具体的には、ガバナ制御器９０は、ガスタービン１の回転速度、言い換えれば発電機８の回転速度を予め設定されているＧＶ設定値と比較し、比例制御信号をＧＶＣＳＯとして出力する。

負荷制御器９２は、発電機出力、発電機出力指令値を入力信号として受け取って、発電機出力を発電機出力指令値に一致させるように全燃料流量を制御するための指令値ＬＤＣＳＯを出力する。具体的には、負荷制御器９２は、発電機出力と発電機出力指令値とを比較し、比例積分演算を行い、この結果をＬＤＣＳＯとして出力する。

温度制御器９４は、ブレードパス温度制御部と、排ガス温度制御部とを備えている。
そして、ブレードパス温度制御部は、ガスタービン１のブレードパス温度の計測値を入力信号として受け取って、このブレードパス温度の計測値が上限値を超えないように全燃料流量を制御するための指令値ＢＰＣＳＯを出力する。具体的には、ブレードパス温度制御部は、ブレードパス温度の計測値と設定値とを比較し、比例積分演算を行い、この結果をＢＰＣＳＯとして出力する。なお、ブレードパス温度とは、タービン６の最終段直後の排ガス温度を意味する。
また、排ガス温度制御部は、ガスタービン１の最終段よりも後流側の排気ダクトにおける排ガス温度の計測値を入力信号として受け取って、この排ガス温度の計測値が上限値を超えないように全燃料流量を制御するための指令値ＥＸＣＳＯを出力する。具体的には、排ガス温度制御部は、排ガス温度の計測値と設定値とを比較し、比例積分演算を行い、この結果をＥＸＣＳＯとして出力する。

このようにして算出されたＧＶＣＳＯ、ＬＤＣＳＯ、ＢＰＣＳＯ及びＥＸＣＳＯは、低値選択器９６に入力され、低値選択器９６によってこれらの入力値のうち最も低値の制御信号を選択し、これを全燃料流量指令値ＣＳＯとして決定する。

以上説明したように、本実施形態では、拡散火炎２８を形成するパイロットバーナ２２と予混合火炎３４を形成するメインバーナ３０とを有する燃焼器４を備えたガスタービン１において、吸気冷却装置１０の作動時に、拡散火炎２８を形成するためのパイロット燃料（拡散燃焼用燃料）の全燃料流量に対する割合を示すパイロット比（拡散燃料比）を燃焼コントローラ４０により増大させるようにした。
これにより、吸気冷却装置１０の作動により燃料配分比の適正条件がシフトしても、火炎の安定性を確保することができる。

ところで、吸気冷却装置１０が非作動状態から作動状態に切り替わっても、その影響が即座に燃料配分比の適正条件のシフトとして表れるわけではない。これは、吸気冷却装置１０の起動後、吸入空気の温度低下や湿分増加が起きるまでにタイムラグが存在するためである。例えば、吸気冷却装置１０が図２に示すようなエバポレーティブクーラの場合、メディア１４に冷却水を供給するために冷却水ポンプ１６を稼働させてから、メディア１４に冷却水が供給されて、実際に吸入空気の温度低下及び湿分増加が起きるまでに時間を要する。
そこで、上述の実施形態のように、吸気冷却装置１０が非作動状態から作動状態に切り替わった時点ｔ_Ａから所定時間Δｔ_１だけ経過した後にパイロット比（拡散燃料比）の増大を開始させることで、吸気冷却装置１０の作動による燃焼器４内の燃焼状態の変化に応じて適切に燃焼制御を行うことができる。

また、上述の実施形態では、燃焼コントローラ４０は、燃料負荷指令値（ＣＬＣＳＯ）に基づいて決定したパイロット比ａにバイアス値ｂを加算して、該パイロット比（拡散燃料比）を増大させるようにした。
これにより、バイアス値ｂの大きさを任意に調整することで、吸気冷却装置１０の作動による燃焼器４内の燃焼状態の変化に応じて適切に燃焼制御を行うことができる。

また、吸気冷却装置１０が非作動状態から作動状態に切り替わってから所定時間Δｔ_１経過しても、燃料配分比の適正条件のシフトが急激に起こるわけではない。例えば、吸気冷却装置１０が図２に示すようなエバポレーティブクーラの場合、メディア１４全体に冷却水が行きわたって定常状態に達するまで、吸入空気の温度低下及び湿分増加の程度は徐々に増加していく。
そこで、上述の実施形態のように、吸気冷却装置１０が非作動状態から作動状態に切り替わった時点ｔ_Ａから所定時間Δｔ_１経過後、急に大きなバイアス値を付与するのではなく、バイアス値ｂを時間経過とともにゼロから所定値まで増加させることで、吸気冷却装置１０の作動による燃焼器４内の燃焼状態の変化に応じて適切に燃焼制御を行うことができる。

また、上述の実施形態では、バイアス値ｂは、関数発生器５２を用いて燃料負荷指令値に基づいて決定したバイアス量に、レート設定器５４から出力された時間経過に対応するバイアス比を乗算したものである。
これにより、バイアス量の大きさと、バイアス比の変化速度とを任意に設定することで、吸気冷却装置１０の作動による燃焼器４内の燃焼状態の変化に応じてより適切に燃焼制御を行うことができる。

また、上述の実施形態では、燃料コントローラ４０は、吸気冷却装置１０が作動状態から非作動状態に切り替わった時点ｔ_Ｂから所定時間Δｔ_２経過後にバイアス値ｂをゼロに向けて減少させ始め、該バイアス値ｂがゼロに達した後はバイアス値ｂをゼロに維持するようにした。
吸気冷却装置１０が作動状態から非作動状態に切り替わると、圧縮機２への吸入空気の温度上昇及び湿分減少が起こり、吸気冷却装置１０の作動によりシフトしていた燃料配分比の適正条件が元の状態に戻ろうとする。そこで、上述の実施形態のように、吸気冷却装置１０が作動状態から非作動状態に切り替わった時点ｔ_Ｂから所定時間Δｔ_２経過後にバイアス値ｂをゼロに向けて減少させ始め、該バイアス値ｂがゼロに達した後はバイアス値ｂをゼロに維持することで、吸気冷却装置１０の停止による燃焼器４内の燃焼状態の変化に応じて適切に燃焼制御を行うことができる。
なお、吸気冷却装置１０を停止させてからバイアス値ｂの減少を開始するまでの待機期間（所定時間）Δｔ_２は、吸気冷却装置の特性に応じて決めることが好ましい。例えば、吸気冷却装置１０が図２に示すようなエバポレーティブクーラの場合、エバポレーティブクーラを停止してから冷却水の蒸散によりメディア１４が乾燥するまでの時間を待機期間Δｔ_２としてもよい。ここで、大気の湿度によってもメディア１４が乾燥するまでの時間は異なるが、高湿度条件下でもメディア１４が乾燥しうる時間を待機時間Δｔ_２として採用すれば、大気の湿度条件によらずに火炎の安定性を維持できる。また、吸気冷却装置１０がミストをスプレーから噴霧することで吸気室１２に吸い込まれた外気を冷却するフォグ方式である場合、スプレーに水を供給するポンプの停止後、配管内に残存する水がスプレーから排出されるまでの時間を待機時間Δｔ_２として採用してもよい。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。

例えば、上述の実施形態では、パイロットバーナ２２、メインバーナ３０及びトップハットノズル３５を有する燃焼器４を例に挙げて説明したが、燃焼器４は、拡散燃焼用燃料を燃焼させて拡散火炎を形成するとともに、予混合燃焼用燃料を燃焼させて予混合火炎を形成することが可能である限り、そのノズル構成は特に限定されない。

また上述の実施形態では、図５に示すロジックにおいて、関数発生器（４２，５２）には燃焼負荷指令値（ＣＬＣＳＯ）を入力する例について説明したが、燃焼負荷指令値に替えて全燃料流量指令値（ＣＳＯ）を入力してもよい。すなわち、パイロット比ａを全燃料流量指令値に基づいて決定してもよいし、パイロット比のバイアス量を全燃料流量指令値に基づいて決定してもよい。
さらに、パイロット比ａと、パイロット比に関するバイアス量とを、燃料負荷指令値及び全燃料負荷指令値の両方に基づいて決定してもよい。

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３Ａ 入口案内翼
３Ｂ アクチュエータ
４ 燃焼器
５ 回転軸
６ タービン
７ 電力計
８ 発電機
９ 温度センサ
１０ 吸気冷却装置
１２ 吸気室
１３ 吸気フィルタ
１４ メディア
１５ 冷却水循環路
１６ 冷却水ポンプ
１８ クーラ制御装置
１９ 吸気ダクト
２０ 内筒
２２ パイロットバーナ
２３ パイロットノズル
２３Ａ 燃料噴射口（第１噴射口）
２４ 筒状部材
２５ パイロットコーン
２６ パイロット空気流路
２７ パイロットスワラ
２８ 拡散火炎（パイロット火炎）
３０ メインバーナ
３１ メインノズル
３２ メイン空気流路
３３ メインスワラ
３４ 予混合火炎
３５ トップハットノズル
３６ 外筒
３７ 流量調節弁
３８ 流量調節弁
３９ 流量調節弁
４０ 燃焼コントローラ
４２ 関数発生器
４４ 加算器
４６ 乗算器
５０ バイアス値算出部
５２ 関数発生器
５４ レート設定器
５６ 選択器
５８ シグナルジェネレータ
５９ 乗算器
８０Ａ 関数発生器
８０Ｂ 関数発生器
８１ 除算器
８２ シグナルジェネレータ
８３Ａ 乗算器
８３Ｂ 乗算器
８４ 減算器
８５ 減算器
８６ 除算器
８７ レート制限部
９０ ガバナ制御器
９２ 負荷制御器
９４ 温度制御器
９６ 低値選択器

Claims (8)

1. 拡散燃焼用燃料を燃焼させて拡散火炎を形成するとともに、予混合燃焼用燃料を燃焼させて予混合火炎を形成する燃焼器と、
   前記燃焼器に燃焼用空気としての圧縮空気を供給する圧縮機と、
   前記圧縮機に吸入される外気を冷却する吸気冷却装置と、
   前記燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
   前記吸気冷却装置の作動時に、前記拡散燃焼用燃料の全燃料流量に対する割合を示す拡散燃料比を増大させる燃焼コントローラとを備え、
   前記燃焼コントローラは、前記吸気冷却装置が非作動状態から作動状態に切り替わった時点から所定時間経過後に前記拡散燃料比の増大を開始することを特徴とするガスタービン。
2. 拡散燃焼用燃料を燃焼させて拡散火炎を形成するとともに、予混合燃焼用燃料を燃焼させて予混合火炎を形成する燃焼器と、
   前記燃焼器に燃焼用空気としての圧縮空気を供給する圧縮機と、
   前記圧縮機に吸入される外気を冷却する吸気冷却装置と、
   前記燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
   前記吸気冷却装置の作動時に、前記拡散燃焼用燃料の全燃料流量に対する割合を示す拡散燃料比を増大させる燃焼コントローラとを備え、
   前記燃焼コントローラは、前記吸気冷却装置が作動状態から非作動状態に切り替わった時点から所定時間経過後に前記拡散燃料比の減少を開始することを特徴とするガスタービン。
3. 前記燃焼コントローラは、燃焼負荷指令値および全燃料流量指令値の少なくとも一方に基づいて決定した前記拡散燃料比にバイアス値を加算して、該拡散燃料比を増大させることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン。
4. 前記燃焼コントローラは、前記吸気冷却装置が非作動状態から作動状態に切り替わった時点から前記所定時間経過後から前記バイアス値をゼロから所定値に向けて時間経過とともに増加させ、前記所定値に達した後は該所定値に前記バイアス値を維持することを特徴とする請求項３に記載のガスタービン。
5. 前記バイアス値は、前記燃焼負荷指令値および全燃料流量指令値の少なくとも一方に基づいて決定したバイアス量に、時間経過に対応するバイアス比を乗算したものである請求項４に記載のガスタービン。
6. 前記燃焼コントローラは、前記吸気冷却装置が作動状態から非作動状態に切り替わった時点から所定時間経過後に前記バイアス値をゼロに向けて減少させ始め、該バイアス値がゼロに達した後は前記バイアス値をゼロに維持することを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載のガスタービン。
7. 拡散燃焼用燃料を燃焼させて拡散火炎を形成するとともに、予混合燃焼用燃料を燃焼させて予混合火炎を形成する燃焼器と、前記燃焼器に燃焼用空気としての圧縮空気を供給する圧縮機と、前記圧縮機に吸入される外気を冷却する吸気冷却装置と、前記燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備えるガスタービンの燃焼制御方法であって、
   前記吸気冷却装置の作動時に、前記拡散燃焼用燃料の全燃料流量に対する割合を示す拡散燃料比を増大させるとともに、
   前記吸気冷却装置が非作動状態から作動状態に切り替わった時点から所定時間経過後に前記拡散燃料比の増大を開始することを特徴とするガスタービンの燃焼制御方法。
8. 拡散燃焼用燃料を燃焼させて拡散火炎を形成するとともに、予混合燃焼用燃料を燃焼させて予混合火炎を形成する燃焼器と、前記燃焼器に燃焼用空気としての圧縮空気を供給する圧縮機と、前記圧縮機に吸入される外気を冷却する吸気冷却装置と、前記燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備えるガスタービンの燃焼制御方法であって、
   前記吸気冷却装置の作動時に、前記拡散燃焼用燃料の全燃料流量に対する割合を示す拡散燃料比を増大させるとともに、
   前記吸気冷却装置が作動状態から非作動状態に切り替わった時点から所定時間経過後に前記拡散燃料比の減少を開始することを特徴とするガスタービンの燃焼制御方法。

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