JP6626797B2 - Steam injection gas turbine and control method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、蒸気注入ガスタービンに係り、更に詳しくは、ガスタービンの排熱から生成した蒸気の一部をガスタービンに注入する蒸気注入ガスタービン及びその制御方法に関する。 The present invention relates to a steam injection gas turbine, and more particularly, to a steam injection gas turbine for injecting a part of steam generated from exhaust heat of the gas turbine into the gas turbine and a control method thereof.
ガスタービンから排出されるNOxの低減方法として、ガスタービンの排ガスの熱エネルギで蒸気を生成し、生成した蒸気を燃焼器に注入することで火炎温度を低下させ、サーマルNOxの生成を抑制する方法がある。また、ガスタービンの出力を増加させることを目的として、生成した蒸気を燃焼器に注入するシステムがある。 As a method of reducing NOx discharged from a gas turbine, a method of generating steam using thermal energy of exhaust gas from a gas turbine and injecting the generated steam into a combustor to reduce a flame temperature and suppress generation of thermal NOx. There is. There is also a system for injecting generated steam into a combustor for the purpose of increasing the output of a gas turbine.
特許文献1には、燃焼器への蒸気注入系統を2系統備え、燃焼器における燃焼ガスの流れに対して火炎帯の上流側に蒸気を注入する第1蒸気系統と、火炎帯の下流側に蒸気を注入する第2蒸気系統とを備え、燃料の流量及び組成に応じて第1蒸気系統の蒸気流量を制御し、蒸気消費設備で必要な蒸気要求流量に応じて第2蒸気系統の蒸気流量を制御する蒸気注入ガスタービンの発明が開示されている。 Patent Literature 1 has two steam injection systems to a combustor, a first steam system for injecting steam upstream of a flame zone with respect to a flow of combustion gas in the combustor, and a downstream steam system for a downstream side of the flame zone. A second steam system for injecting steam, controlling a steam flow rate of the first steam system according to the flow rate and composition of the fuel, and a steam flow rate of the second steam system according to a required steam flow rate of the steam consuming equipment. The invention of a steam injection gas turbine for controlling pressure is disclosed.
この蒸気注入ガスタービンにおいては、第1蒸気系統の蒸気注入が上述したNOx低減効果を奏し、第2蒸気系統の蒸気注入が出力増加の効果を奏する。しかし、このような蒸気注入ガスタービンの起動時には、蒸気注入が開始された直後に低温の蒸気配管系統で、蒸気が凝縮されてドレン水になる場合がある。このドレン水が蒸気噴射ノズルから火炎中に噴出すると、燃焼の安定性を損ねる可能性が生じる。 In this steam injection gas turbine, the steam injection of the first steam system has the above-described NOx reduction effect, and the steam injection of the second steam system has the effect of increasing the output. However, when such a steam injection gas turbine is started, steam may be condensed into drain water in a low-temperature steam piping system immediately after the start of steam injection. When this drain water is jetted out of the steam injection nozzle into the flame, there is a possibility that the stability of combustion is impaired.
特許文献2には、発電プラントの起動時において、蒸気噴射配管系統内に発生するドレンを積極的に排除し、安定した燃焼運転特性が得られるようにした複合サイクル発電プラントにおける蒸気噴射系統の制御方法及びその装置を提供することを目的として、ガスタービン装置の起動に先立って、別置の補助ボイラの蒸気を供給することで蒸気配管系統を暖機しつつ、ドレン水を補助蒸気の圧力で系外へ排出する発明が開示されている。
上述したように、従来の蒸気注入ガスタービンにおいて、起動時の発生ドレン水を系外へ排出する方法を採用すると、蒸気注入系統の暖機が完了するまでの間は、注入した蒸気がドレン水となって排出される。このことにより、火炎帯に蒸気が供給されないので、低NOx効果が小さくなる。また、排出されたドレン水を処理するための設備が別途必要となることも、課題として挙げられる。 As described above, in the conventional steam injection gas turbine, if the method of discharging the drain water generated at the time of startup to the outside of the system is adopted, the injected steam is drained until the steam injection system is completely warmed up. And is discharged. As a result, since no steam is supplied to the flame zone, the low NOx effect is reduced. Another problem is that a separate facility for treating the discharged drain water is required.
本発明は、上述した事柄に基づいてなされたものであって、その目的は、起動時にも低NOx化が可能となり、ドレン水処理設備を小型化できる蒸気注入ガスタービンおよびその制御方法を提供するものである。 The present invention has been made based on the above-described matter, and an object of the present invention is to provide a steam injection gas turbine capable of reducing NOx even at the time of startup and capable of downsizing a drain water treatment facility, and a control method thereof. Things.
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、空気を圧縮して高圧の燃焼用空気を生成する圧縮機と、前記燃焼用空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動するタービンとを備え、前記燃焼器に蒸気を注入する蒸気注入ガスタービンであって、前記蒸気の注入系統は2系統に分岐されていて、前記燃焼器における前記燃焼ガスの流れに対して火炎帯の上流側において、噴射した蒸気の大部分が前記燃焼用空気または前記燃料と混合する位置に前記蒸気を注入する第1の蒸気系統と、前記燃焼器における前記燃焼ガスの流れに対して火炎帯の下流側において、噴射した蒸気の大部分が前記燃焼ガスと混合し、残りの一部分の前記蒸気が前記燃焼ガスの流れに対して火炎帯の上流側において、前記燃焼用空気と混合する位置に蒸気を注入する第2の蒸気系統と、前記第1の蒸気系統の蒸気流量と前記第2の蒸気系統の蒸気流量とを個別に制御可能な流量制御機構と、蒸気注入開始時に前記燃焼器内に流入するドレン水の量を検出するドレン量検出手段とを備え、前記ドレン量検出手段は、前記燃焼器のメタル温度を計測するメタル温度計測手段と、前記メタル温度計測手段が計測した前記燃焼器のメタル温度を基に前記ドレン水の量を演算する演算部とを備え、前記流量制御機構は、前記ドレン量検出手段が検出した前記ドレン水の量の信号を基に、前記2系統の蒸気流量を制御することを特徴とする。 In order to solve the above problem, for example, a configuration described in the claims is adopted. The present application includes a plurality of means for solving the above-described problems, but for example, a compressor that compresses air to generate high-pressure combustion air, and combusts the combustion air and fuel. A steam injection gas turbine for injecting steam into the combustor, comprising: a combustor for generating combustion gas; and a turbine driven by the combustion gas generated by the combustor, wherein the steam injection system includes two systems. And injecting the steam into a position where most of the injected steam mixes with the combustion air or the fuel on the upstream side of the flame zone with respect to the flow of the combustion gas in the combustor. In the steam system and downstream of the flame zone with respect to the flow of the combustion gas in the combustor, most of the injected steam is mixed with the combustion gas, and the remaining part of the steam is mixed with the combustion gas. flow On the other hand, on the upstream side of the flame zone, a second steam system that injects steam into a position where the steam is mixed with the combustion air, a steam flow rate of the first steam system, and a steam flow rate of the second steam system An individually controllable flow rate control mechanism, and a drain amount detection unit that detects an amount of drain water flowing into the combustor at the start of steam injection, wherein the drain amount detection unit detects a metal temperature of the combustor. A metal temperature measuring means for measuring; and a calculating part for calculating an amount of the drain water based on a metal temperature of the combustor measured by the metal temperature measuring means, wherein the flow rate control mechanism includes a drain amount detecting means. The steam flow rate of the two systems is controlled based on a signal indicating the amount of the drain water detected by the system.
本発明によれば、蒸気注入ガスタービンの起動時に、燃焼の安定性を維持しつつ低NOx化を図ることができる。また、ドレン水処理設備を小型化できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when starting a steam injection gas turbine, reduction of NOx can be aimed at, maintaining combustion stability. In addition, the drain water treatment equipment can be downsized.
以下、本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の実施の形態を図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of a steam injection gas turbine and a control method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第1の実施の形態を用いた熱電可変型コジェネレーションシステムの全体構成の一例を示すシステムフロー図である。図1に示すように、熱電可変型コジェネレーションシステムは、主として、蒸気注入ガスタービン4と排熱回収ボイラ5と蒸気系統300とから構成されている。
FIG. 1 is a system flow diagram showing an example of the entire configuration of a thermoelectric variable cogeneration system using the first embodiment of the steam injection gas turbine and the control method thereof according to the present invention. As shown in FIG. 1, the thermoelectric variable cogeneration system mainly includes a steam injection gas turbine 4, an exhaust heat recovery boiler 5, and a
このうち、蒸気注入ガスタービン4は、主として、空気100を圧縮して高圧の燃焼用空気101を生成する圧縮機1と、この圧縮機1から導入される燃焼用空気101と燃料系統200からの燃料201とを燃焼させて燃焼ガス106を生成する複数の燃焼器2と、この燃焼器2で生成された燃焼ガス106が導入されるタービン3とから構成されている。
Among them, the steam injection gas turbine 4 mainly includes a compressor 1 that compresses the
タービン3は、ガスジェネレータ3aとパワータービン3bとに分かれていて、ガスジェネレータ3aは軸21aによって圧縮機1と連結し、圧縮機1を駆動する。一方、パワータービン3bは軸21bによって発電機20と連結し、発電機20を駆動する。
The
燃焼器2は、燃焼器ケーシング7および燃焼器カバー8内に格納されている。燃焼器ケーシング7はタービンケーシング23に取付けられている。燃焼器2の上流端の中央には、燃料ノズル9が挿入されていて、その下流には未燃の空気と既燃の燃焼ガスを隔てる概略円筒状の燃焼器ライナ10が配置されている。また、燃焼器ライナ10の外周側にはライナフロースリーブ11が設けられている。ライナフロースリーブ11は概略円筒状で、燃焼器ライナ10と概略同軸となるように燃焼器ケーシング7に締結されている。
The
燃焼器ライナ10の下流には、燃焼ガスをタービン3へと導く尾筒12が設けられている。燃焼器ライナ10の下流端は、尾筒12の上流端に差し込まれている。尾筒12の外側には尾筒フロースリーブ13が設けられている。ライナフロースリーブ11の下流端は、尾筒フロースリーブ13の上流端に差し込まれている。
Downstream of the
燃料ノズル9の軸中心の下流端には、メタル温度を検出する熱電対27が設けられている。熱電対27が検出したメタル温度信号は、後述する制御器400に入力される。
At the downstream end of the axial center of the fuel nozzle 9, a
圧縮機1の入口には、その開度を調整することで、空気100の吸込み流量を調整する入口案内翼(IGV)が設けられている。入口案内翼(IGV)にはその開度を検出する開度検出器19が設けられている。開度検出器19が検出した信号は、後述する制御器400に入力される。
The inlet of the compressor 1 is provided with an inlet guide vane (IGV) for adjusting the opening thereof to adjust the suction flow rate of the
圧縮機1から出た高圧の燃焼用空気101は、タービンケーシング23内の空間から、尾筒12と尾筒フロースリーブ13の間の空間にタービン側(下流側)の開口部から流入する。そして、燃焼器ライナ側(上流側)へ流れる際に尾筒12を外側から冷却する。その後、燃焼器ライナ10とライナフロースリーブ11の間の概略円環状の空間を通って、燃焼器上流側へ向かって流れる。その際、燃焼器ライナ10を外側から冷却する。
The high-
また、一部の空気(102)はライナ冷却空気として、燃焼器ライナ10に設けられた冷却孔から燃焼器ライナ10内へ流入し、フィルム冷却に使用される。別の一部の空気(103)は希釈空気として、燃焼器ライナ10に設けられた複数の希釈孔14から燃焼器ライナ10内へ流入し、燃焼ガス105と混合して尾筒12内へと流入する。
A part of the air (102) flows into the
さらに、別の一部の空気(110)は2次燃焼空気として、燃焼器ライナ10に設けられた複数の燃焼孔30から燃焼器ライナ10内へ流入し、燃焼空気104で燃焼しきれなかった燃料と共に燃焼に使用される。
Further, another part of the air (110) flows into the
残りの空気(104)は燃焼空気として、燃料ノズル9の外周に設けた旋回器17から燃焼器ライナ10内に流入し、燃料ノズル9から噴出される燃料とともに燃焼に使用される。このとき燃料流量が多い場合は、噴出された燃料の全てが燃焼空気104では燃焼しきれないので、下流側で上述した2次燃焼空気110とともに燃焼する。
The remaining air (104) flows into the
そして高温の燃焼ガス105となり、さらにライナ冷却空気102及び希釈空気103と混合して、燃焼ガス106となってタービン3へと送られる。燃焼ガス106はタービン3のガスジェネレータ3aを駆動した後に、ガスジェネレータ排気ガス107として、パワータービン3bへと送られる。パワータービン3bを出た低圧のタービン排ガス108は、排熱回収ボイラ5で熱回収された後、排気ガス109として排気される。
Then, the high-
ここで、圧縮機1には、吸込み空気圧力と吐出空気圧力の差圧(圧力比)を検出する差圧検出器465と吐出空気圧力を検出する圧力検出器462と圧縮機の回転数を検出する圧縮機回転数検出器22とが設けられている。差圧検出器465と圧力検出器462と圧縮機回転数検出器22とが検出した各種信号は、後述する制御器400に入力される。
Here, the compressor 1 has a
ガスタービンの燃料系統200には、燃料流量調整弁202と、燃料201の流量を検出する燃料流量計203が設けられていて、燃料流量を調整することで蒸気注入ガスタービン4の発電出力を調整できる。なお、燃料流量計203が検出した信号は、後述する制御器400に入力される。
The
次に、蒸気系統について説明する。
排熱回収ボイラ5は、給水加熱器24、ボイラ25、蒸気過熱器26から構成され、発生した蒸気は、蒸気供給系統300を介して蒸気消費設備6で消費される。蒸気消費設備6としては、工場などの熱源を必要とする設備が考えられる。蒸気消費設備6へ蒸気を供給するためのプロセス蒸気配管303には、プロセス蒸気流量調節弁313が設けられていて、送気蒸気量を制御している。
Next, the steam system will be described.
The exhaust heat recovery boiler 5 includes a
排熱回収ボイラ5から発生した蒸気の圧力を検出する蒸気圧力計305と蒸気の温度を検出する蒸気温度計306が、排熱回収ボイラ5からの主配管に設けられている。また、排熱回収ボイラ5で発生させた蒸気を必要に応じて大気に放出するために、蒸気放出系統304が設けられている。蒸気放出系統304の配管には、蒸気放出弁314が設けられていて、放出蒸気量を制御している。蒸気圧力計305と蒸気温度計306とが検出した各種信号は、後述する制御器400に入力される。
A
一方、排熱回収ボイラ5で発生した蒸気量が蒸気消費設備6で必要な蒸気量を上回った場合、余剰の蒸気は蒸気注入ガスタービン4に注入することができる。本実施の形態においては、燃焼器2へ蒸気を注入している。このように余剰の蒸気をガスタービンに注入して、発電機20の出力を増加させることで熱電比を可変とするのが、熱電可変コジェネレーションシステムである。
On the other hand, when the amount of steam generated in the exhaust heat recovery boiler 5 exceeds the amount of steam required in the steam consuming facility 6, excess steam can be injected into the steam injection gas turbine 4. In the present embodiment, steam is injected into the
本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第1の実施の形態においては、この注入蒸気系統を第1の蒸気系統301と、第2の蒸気系統302の2系統に分けている。また、それぞれの系統には、第1蒸気流量調節弁311と第2蒸気流量調節弁312が設けられ、各流量が調節できるようになっている。第1蒸気流量調節弁311と第2蒸気流量調節弁312とには、後述する制御器400からそれぞれ開度指令が出力されている。
In the first embodiment of the steam injection gas turbine and the control method thereof according to the present invention, the injection steam system is divided into a
第1の蒸気系統301は、一端側を蒸気供給系統300に接続し、他端側を燃焼器カバー8に設けられた蒸気フランジ351に接続した蒸気配管321を備え、蒸気配管321に第1蒸気流量調節弁311が設けられている。第1の蒸気系統301の内部を通過する第1の蒸気331は、燃焼器カバー8に設けられた蒸気ノズル352から燃焼器2の内部へ噴射される。
The
第1の蒸気331の噴射位置は、燃焼ガス105の流れに対して火炎帯の上流側であって、噴射した蒸気の大部分が燃焼空気104または燃料201と混合する位置になっている。より具体的には、燃焼器ライナ10の外側であって、燃焼器ケーシング7と燃焼器カバー8と燃焼器ライナ10で囲まれた空間に噴射されている。
The injection position of the
この位置における燃焼空気104は、高圧の燃焼用空気101がライナ冷却空気102や希釈空気103と分岐した後の空気であり、大部分が燃料との燃焼に消費されるため、この位置で燃焼空気104に混合された第1の蒸気331は火炎帯の温度を下げる効果が大きく、低NOx化に寄与する度合いが大きい。
The
第2の蒸気系統302は、一端側を蒸気供給系統300に接続し、他端側を燃焼器ケーシング7に設けられた蒸気注入ポート15に接続した蒸気配管322を備え、蒸気配管322に第2蒸気流量調節弁312が設けられている。第2の蒸気系統302の内部を通過する第2の蒸気332は、まず、燃焼器ケーシング7とライナフロースルーブ11の間の概略円環状の空間を流れる。この空間とタービンケーシング23内の空間は、隔壁18によって隔てられている。このことによって、燃焼器に流入した蒸気とタービンケーシング23内の圧縮空気の混合が抑制されている。また、蒸気がライナフロースリーブ11の外周側で周方向の全域に流れる。そのため、燃焼器ケーシング71つに対して、蒸気注入ポート15が1箇所であっても、燃焼器周方向の湿分の均一化を図ることができる。
The
ライナフロースリーブ11には、蒸気注入孔16が周方向に複数個設けられている。また、これらのうちの全部または一部は、燃焼器ライナ10に設けられた希釈孔14の全部または一部と対向している。このうち希釈孔14と対向している蒸気注入孔16を通過した蒸気は、その大部分が希釈孔14を通って燃焼器ライナ10の内部に流入する。したがって、第2の蒸気332の大部分である332aは燃焼ガスの流れに対して火炎帯の下流側において、燃焼ガスと燃焼後に混合する。
The
噴射した蒸気は燃焼後の燃焼ガス105や希釈空気103と混合するため、火炎帯へは直接影響を及ぼさない。したがって、燃焼の安定性に影響することなく、燃焼器2へ余剰蒸気を噴射して出力を増加させることができる。また、この噴射位置は、タービンよりも上流側であるため、蒸気の持つエネルギをタービン3にて有効に動力に変換できる。
The injected steam mixes with the
また、燃焼ガス105がタービンへ流入する際には蒸気と混合して温度が低下するため、同じ出力であれば尾筒12やタービン3のメタル温度を下げることができて、信頼性や寿命が向上する。また、蒸気混合分の燃料流量を増加させることができるため、同じタービン流入温度であれば、蒸気が混合した分、出力や効率を向上させることができる。
Further, when the
次に、本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第1の実施の形態における蒸気流量の制御方法について図2および図3を用いて説明する。図2は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第1の実施の形態における起動時のバーナメタル温度の挙動を示す特性図、図3は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第1の実施の形態における起動時のドレン検出回路の一例を示すブロック図である。 Next, a method for controlling a steam flow rate in the first embodiment of the steam injection gas turbine and the control method therefor according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a characteristic diagram showing the behavior of the burner metal temperature at startup in the first embodiment of the steam injection gas turbine and the control method of the present invention, and FIG. 3 is a diagram of the steam injection gas turbine and the control method of the present invention. FIG. 3 is a block diagram illustrating an example of a drain detection circuit at the time of startup according to the first embodiment.
まず、2段階でドレン量を検出しながら行う2つの蒸気系統の暖機に伴う蒸気流量の制御方法について説明し、その後、ドレンの排出が完了した後の蒸気流量の制御方法を説明する。
蒸気注入ガスタービン4が起動して、図1に示すタービン排ガス108が排熱回収ボイラ5に送られると、蒸気が発生し始める。蒸気圧力計305の検出する圧力が予め定めた圧力よりも大きくなると、まず、第2の蒸気系統302の第2蒸気流量調節弁312を開動作させて、燃焼器2への蒸気注入を開始する。また、蒸気消費設備6へのプロセス蒸気流量調節弁313を開動作させて、蒸気消費設備6への送気を開始する。送気が開始されると、蒸気圧力計305の検出する圧力が低下する。
First, a method of controlling a steam flow rate during warming up of two steam systems while detecting a drain amount in two stages will be described, and then a method of controlling a steam flow rate after drain discharge is completed will be described.
When the steam injection gas turbine 4 starts and the
この蒸気圧力を所定の圧力に維持しようとして、ガスタービン負荷指令値または回転数指令値が大きくなり、燃料流量調整弁202がさらに開く。こうして、蒸気圧力を一定にすることを制御目標にして燃料流量を制御する場合には、熱電可変型コジェネレーションシステムにおける熱優先の蒸気制御となる。この場合、発電量20は変化するため、電力消費量との差分は電力系統からの送電量にて調節することになる。
In order to maintain the steam pressure at a predetermined pressure, the gas turbine load command value or the rotation speed command value increases, and the fuel
一方、熱電可変型コジェネレーションシステムが電力系統に接続していない場合など、熱よりも電力の制御を優先する場合には、電力要求指令値が大きくなった場合に燃料流量が増加して、蒸気圧力が高くなる。蒸気圧力が高くなると、蒸気消費設備6で使用できる最大蒸気量も大きくなる。なお、ここでは、燃焼器2への蒸気注入開始の信号として、蒸気圧力を一例として説明したが、これに限るものではない。例えば、予め設定した燃料流量,発電量,圧縮機回転数などを利用してもよい。
On the other hand, when priority is given to controlling power over heat, such as when the thermoelectric variable cogeneration system is not connected to the power system, the fuel flow increases when the power request command value increases, and the steam flow increases. Pressure increases. As the steam pressure increases, the maximum steam amount that can be used in the steam consuming facility 6 also increases. Here, the steam pressure has been described as an example of the signal for starting the steam injection into the
ところで、燃焼器2への蒸気注入開始時には、第2の蒸気配管322の温度が低いため、蒸気の熱が奪われて、一部の蒸気が第2の蒸気配管322内でドレン水となる。発生したドレン水は蒸気注入ポート15から燃焼器内に流入し、蒸気や空気の流れに乗って流れ、燃焼器ライナ10の外壁面や燃料ノズル9の壁面に付着する。ドレン水が付着すると燃焼器ライナ10や燃料ノズル9のメタル温度が低下する。本実施の形態においては、燃料ノズルメタル温度検出手段として、燃料ノズル9の軸中心下流端に熱電対27を設置してバーナメタル温度を計測している。
By the way, at the start of the steam injection into the
このような起動時のメタル温度の挙動について説明する。図2において、横軸は時間を示し、縦軸はバーナメタル温度を示している。時刻t0は起動時を示し、時刻t1は蒸気注入を開始した時刻を示す。図2に示すように、起動にしたがって燃焼器2への蒸気注入が無い状態でも、バーナメタル温度Tは時間とともに上昇する傾向がある。
The behavior of the metal temperature at the time of such startup will be described. In FIG. 2, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents burner metal temperature. Time t0 indicates a start time, and time t1 indicates a time when steam injection is started. As shown in FIG. 2, the burner metal temperature T tends to increase with time even when steam is not injected into the
時刻t1において、バーナメタル温度TがT1のときに蒸気注入を開始すると、ドレン水がバーナ9に付着することでバーナメタル温度Tは低下し、T1から飽和温度であるT0になる。 At time t1, when the steam injection is started when the burner metal temperature T is T1, the burner metal temperature T decreases due to the attachment of the drain water to the burner 9, and the temperature becomes T0, which is the saturation temperature from T1.
時刻t1の後、しばらくの間時刻t2まで、バーナメタル温度TはT0で推移するが、時刻t2以降バーナメタル温度Tは再び上昇を始める。これは、第2の蒸気配管322の温度が上昇してドレン水の流入が少なくなることと、最初に流入したドレン水が流下したり、蒸発したりして、燃料ノズル9からドレン水が無くなったためである。したがって、バーナメタル温度Tの計測によってドレン水の有無を検出できる。
After time t1, the burner metal temperature T changes to T0 for a while until time t2, but after time t2, the burner metal temperature T starts to rise again. This is because the temperature of the
このような起動時のドレン検出回路の一例を図3を用いて説明する。このドレン検出回路450は、本実施の形態においては、制御器400に含まれる1つの回路である。上述したバーナメタル温度からドレン水が無くなったことを判定し、次の蒸気注入の開始を許可する信号(第1の蒸気系統301の第1蒸気流量調節弁311を開動作させて、燃焼器2への蒸気注入の開始を許可する信号)を出力するための回路である。
An example of such a drain detection circuit at the time of startup will be described with reference to FIG. The
図3に示すように、ドレン検出回路450は、信号保持演算部451と、飽和蒸気温度演算部452と、ドレン検出演算部453と、タイマー演算部454と、論理積演算部455とを備えている。また、ドレン検出回路450は、蒸気注入を開始したときに1となる蒸気注入開始信号461と、熱電対27が検出したバーナメタル温度信号と、圧力検出器462が検出した圧縮機の空気圧力信号と、蒸気圧力計305が検出した蒸気圧力信号と、空気流量信号463と、蒸気流量信号464とが入力されている。また、ドレン検出回路450からは、次の操作許可信号476である蒸気注入の開始を許可する信号を制御器400の他の回路へ出力している。
As illustrated in FIG. 3, the
信号保持演算部451は、蒸気注入開始信号461とバーナメタル温度信号とを入力し、蒸気注入開始時点でのバーナメタル温度信号を保持する。この保持した蒸気注入開始時のバーナメタル温度信号471をドレン検出演算部453へ出力する。このバーナメタル温度信号471は、図2における時刻t1のときのバーナメタル温度T1に相当する。 The signal holding calculation unit 451 receives the steam injection start signal 461 and the burner metal temperature signal, and holds the burner metal temperature signal at the start of the steam injection. The held burner metal temperature signal 471 at the start of steam injection is output to the drain detection calculation unit 453. This burner metal temperature signal 471 corresponds to the burner metal temperature T1 at time t1 in FIG.
飽和蒸気温度演算部452は、空気圧力信号と、蒸気圧力信号と、空気流量信号463と、蒸気流量信号464とを入力し、これらから飽和蒸気温度信号472を演算して、ドレン検出演算部453へ出力する。この飽和蒸気温度信号472は、図2におけるバーナメタル温度T0に相当する。ここで、空気流量信号463は、例えば制御器400において、圧縮機回転数検出器22が検出した圧縮機回転数信号と、開度検出器19が検出した入口案内翼(IGV)の開度信号等から算出できる。また、蒸気流量信号464は、後述する制御器400で算出される第1および第2の蒸気流量値411,412を用いてもよい。
The saturated steam temperature calculating section 452 receives the air pressure signal, the steam pressure signal, the air
ドレン検出演算部453は、熱電対27が検出したバーナメタル温度信号(図2に示すT)と、信号保持演算部451からの蒸気注入開始時のバーナメタル温度信号471(図2に示すT1)と、飽和蒸気温度演算部452からの飽和蒸気温度信号472(図2に示すT0)とを入力し、ドレン量を算出し、ドレン水がなくなったと判定した場合にドレン非検出信号474を1の信号として論理積演算部455へ出力する。
The drain detection calculation unit 453 includes a burner metal temperature signal (T shown in FIG. 2) detected by the
ドレン検出演算部453は、図2に示すように、まず、蒸気注入開始時のバーナメタル温度T1から飽和蒸気温度T0を減算してΔTを算出する。そして、このΔTに対する、現在のバーナメタル温度Tから飽和蒸気温度T0を減算した温度差の割合を演算し、この割合が予め定めた閾値473を超えたときに、ドレン非検出信号474を1として、ドレン水がなくなったと判定している。本実施の形態においては、この閾値473を0.8としている。このことにより、図2に示すように時刻t3までは、ドレン量大としてドレン非検出信号474を0出力し、時刻t3経過後にドレン水が検出されないとしてドレン非検出信号474を1出力する。
As shown in FIG. 2, first, the drain detection calculation unit 453 calculates ΔT by subtracting the saturated steam temperature T0 from the burner metal temperature T1 at the start of steam injection. Then, the ratio of the temperature difference obtained by subtracting the saturated steam temperature T0 from the current burner metal temperature T with respect to ΔT is calculated, and when the ratio exceeds a
タイマー演算部454は、蒸気注入開始信号461を入力し、予め設定された時間が経過したならば1の所定時間経過信号475を論理積演算部455へ出力する。タイマー演算部454を設けた理由は以下による。上述したドレン水によるバーナメタル温度の低下は、1度に限らず複数回断続的に発生することが予測される。これは、一度ドレン水が排出された低温の配管途中に再びドレン水が溜まり始め、それが蒸気の流れに押し出される場合などに起こり得る。
The timer calculation unit 454 receives the steam injection start signal 461 and outputs a predetermined
この場合、バーナメタル温度が一度再上昇したタイミングをもってドレン水が無くなったと判断して、第1の蒸気系統への蒸気注入を開始したにも関わらず、その後に再びドレン水が流入すると、燃焼の不安定を生じさせる可能性がある。そこで、本実施の形態においては、タイマー演算部454により、蒸気注入開始後一定時間は、ドレン水があり得るものと仮定してタイマー信号475を0出力としている。
In this case, when it is determined that the drain water has run out at the timing when the burner metal temperature once rises again and the steam injection into the first steam system is started, but the drain water flows in again thereafter, the combustion is started. May cause instability. Therefore, in the present embodiment, the timer operation unit 454 sets the
論理積演算部455は、ドレン検出演算部453からのドレン非検出信号474と、タイマー演算部454からの所定時間経過信号475とを入力し、その論理積(AND)信号として、次の操作許可信号476を出力する。したがって、例えば、ドレン非検出信号474が1であった場合でも、タイマー演算部454からの所定時間経過信号がなければ、次の蒸気注入の開始を許可する信号476は出力されない。
The AND operation unit 455 receives the drain non-detection signal 474 from the drain detection operation unit 453 and the predetermined
図1に戻り、本実施の形態における蒸気流量の制御方法について更に説明する。上述したドレン検出回路450の次の操作許可信号476の出力により、ドレン水が無くなったと判定し、次に第1の蒸気系統301の第1蒸気流量調節弁311を開く蒸気注入を開始する。
Returning to FIG. 1, the method of controlling the steam flow rate in the present embodiment will be further described. Based on the output of the next operation permission signal 476 of the
流れ始めた第1の蒸気系統301の蒸気331は、まず蒸気ヘッダ350内に充満する。そして蒸気は蒸気ノズル352から燃焼器内に噴出し、燃焼空気104と混合して燃焼に用いられる。燃焼空気104に蒸気が混合することで火炎帯の局所的な温度が低下し、発生するNOxを低減することができる。
The
一方、起動時には燃焼器カバー8の温度が低いため、蒸気の熱が奪われて、一部の蒸気が蒸気ヘッダ350内でドレン水となる。発生したドレン水は蒸気ヘッダ350の最下部に溜まり、蒸気の圧力によって蒸気ノズル352から燃焼器内へ流入して、燃料ノズル9の壁面に付着する。ドレン水が付着すると燃料ノズル9のバーナメタル温度が再び低下する。この時のバーナメタル温度の挙動は図2と同様であって、第1の蒸気配管321や蒸気ヘッダ350内の温度が上昇してドレン水の流入が少なくなることと、最初に流入したドレン水が流下したり、蒸発したりして、燃料ノズル9からドレン水が無くなると、バーナメタル温度は徐々に元の温度に上昇する。したがって、上述したドレン検出回路450により、同様にドレン水の有無を検出できる。なお、ドレン検出回路450のタイマー演算部454は、第1の蒸気系統301の蒸気331の注入開始をトリガとして実行する。
On the other hand, since the temperature of the
ドレン水が検出されている(ドレン検出回路450からの次の操作許可信号476が0である)間においては、第1蒸気流量調節弁311の開度は、低NOx運用に必要な開度よりも小さく設定している。これは、多量のドレン水が流入することを防止して、燃焼の安定性を確保するためである。
While drain water is being detected (the next operation permission signal 476 from the
最後に、バーナメタル温度からドレン水が無くなったことを確認した後、第1の蒸気系統301の第1蒸気流量調節弁311を低NOx制御に必要な開度にして、NOx排出量を抑制する。この時は、第1の蒸気配管321や蒸気ヘッダ350内の温度は十分高くなっており、ドレン水の流入は無いので、第1の蒸気系統301で低NOx制御を行なっても、燃焼の安定性を損なうことがない。
Finally, after confirming that the drain water has run out from the burner metal temperature, the first steam
以上説明したように、初めに第2の蒸気系統302から注入を開始することで、燃焼安定性に影響の大きい第1の蒸気系統301からドレン水が流入することを防止できる。このことにより、蒸気注入開始時の燃焼の安定性を確保しつつ、第2の蒸気系統302の暖機が可能となる。次に、第1の蒸気系統301の流量を少量に設定して第1の蒸気系統301を暖機することにより、燃焼安定性を損なうことなく、第2の蒸気系統302から分岐した後の第1の蒸気系統301を暖機できる。以上の手段により、2段階でドレン量を検出しながら、2系統の蒸気系統の暖機が完了する。
As described above, by starting the injection from the
次に、ドレン水の排出が完了した後の蒸気流量の制御方法について図を用いて説明する。図4は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第1の実施の形態を構成する制御器の処理内容を示すブロック図、図5は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第1の実施の形態を構成する第1の蒸気流量指令演算部における燃料流量に対する第1蒸気量の出力特性を示す特性図、図6は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第1の実施の形態を構成する第1の蒸気流量指令演算部におけるIGV開度に対する第1蒸気量の出力特性を示す特性図、図7は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第1の実施の形態を構成する第1の蒸気流量指令演算部における回転数に対する第1蒸気量の出力特性を示す特性図、図8は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第1の実施の形態を構成する第1の蒸気流量指令演算部における第2蒸気量に対する第1蒸気量の出力特性を示す特性図、図9は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第1の実施の形態を構成する第2の蒸気流量指令演算部における蒸気圧力に対する第2蒸気量の出力特性を示す特性図、図10は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第1の実施の形態を構成する第2の蒸気流量指令演算部における圧力比に対する第2蒸気量の出力特性を示す特性図である。 Next, a method of controlling the steam flow rate after the drain water is completely discharged will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a block diagram showing the processing contents of a controller constituting a first embodiment of the steam injection gas turbine and the control method of the present invention, and FIG. 5 is a block diagram of the steam injection gas turbine of the present invention and the control method thereof. FIG. 6 is a characteristic diagram showing an output characteristic of a first steam amount with respect to a fuel flow rate in a first steam flow rate command calculation unit constituting the first embodiment. FIG. FIG. 7 is a characteristic diagram showing an output characteristic of a first steam amount with respect to an IGV opening degree in a first steam flow rate command calculating unit constituting the embodiment; FIG. 7 is a first embodiment of a steam injection gas turbine and a control method thereof according to the present invention; FIG. 8 is a characteristic diagram showing an output characteristic of the first steam amount with respect to the number of revolutions in the first steam flow rate command calculation unit constituting the embodiment. FIG. Configure FIG. 9 is a characteristic diagram showing an output characteristic of the first steam amount with respect to the second steam amount in the first steam flow rate command calculation unit. FIG. 9 shows a first embodiment of a steam injection gas turbine and a control method thereof according to the present invention. FIG. 10 is a characteristic diagram showing an output characteristic of the second steam amount with respect to the steam pressure in the second steam flow rate command calculation unit. FIG. 10 shows a steam injection gas turbine according to the first embodiment of the present invention and a control method thereof. FIG. 9 is a characteristic diagram illustrating output characteristics of a second steam amount with respect to a pressure ratio in a second steam flow command calculation unit.
図4に示すように制御器400は、第1の蒸気流量指令演算部401と、第1の蒸気流量調節弁開度指令演算部402と、第2の蒸気流量指令演算部403と、第2の蒸気流量調節弁開度指令演算部404とドレン検出回路450とを備えている。また、制御器400は、燃料流量計203が検出した燃料流量信号と開度検出器19が検出した入口案内翼(IGV)の開度信号と、圧縮機回転数検出器22が検出した圧縮機回転数信号と、蒸気温度計306が検出した蒸気温度信号と、蒸気圧力計306が検出した蒸気圧力信号と、差圧検出器465が検出した吸込み空気圧力と吐出空気圧力の差圧(圧力比)信号とが入力されている。また、制御器400からは、第1蒸気流量調節弁311へ開度指令421が、第2蒸気流量調節弁312へ開度指令422が、それぞれ出力されている。
As shown in FIG. 4, the
第1の蒸気流量指令演算部401は、燃料流量信号とIGV開度信号と圧縮機回転数信号とを入力し、これらの信号から第1の蒸気流量指令値信号411が算出される。より具体的には、燃料流量に対しては図5に示すように、燃料流量が大きくなると第1の蒸気流量が増加するように設定される。これにより、燃料流量が増加した際のNOx排出量の増加を抑制できる。
The first steam flow
また、IGV開度に対しては図6に示すように、IGV開度が大きくなると第1の蒸気流量が減少するように設定される。同様に、圧縮機回転数に対しては図7に示すように、回転数が大きくなると第1の蒸気流量が減少するように設定される。IGV開度あるいは回転数が大きくなると、燃焼空気が増加して燃焼が不安定になる可能性がある。それに対して、このように制御する事で、湿分を低下させて燃焼安定性を維持することができる。 In addition, as shown in FIG. 6, the IGV opening is set such that the first steam flow rate decreases as the IGV opening increases. Similarly, as shown in FIG. 7, the first steam flow rate is set so as to decrease as the rotation speed increases with respect to the compressor rotation speed. When the IGV opening or the rotation speed increases, the combustion air may increase and the combustion may become unstable. On the other hand, by controlling in this way, it is possible to reduce the moisture content and maintain the combustion stability.
第1の蒸気流量指令演算部401は、上述したドレン検出回路450からの次の操作許可信号476と第2の蒸気流量指令演算部403からの第2の蒸気流量指令値信号412とを入力する。第2の蒸気流量指令値信号412と第1の蒸気流量指令値信号411との関係については後述する。
The first steam flow
第1の蒸気流量調節弁開度指令演算部402は、第1の蒸気流量指令演算部401からの第1の蒸気流量指令値411と蒸気温度信号と蒸気圧力信号とを入力し、第1蒸気流量調節弁311の開度指令信号421が算出される。蒸気温度信号と蒸気圧力信号とを演算に反映することで、蒸気の流量をさらに高精度に制御することができる。
The first steam flow control valve opening degree
第2の蒸気流量指令演算部403は、蒸気圧力信号と圧力比信号とを入力し、これらの信号から第2の蒸気流量指令値信号412が算出される。より具体的には、蒸気圧力に対しては図9に示すように設定され、圧力比に対しては図10に示すように設定される。
The second steam flow
第2の蒸気流量調節弁開度指令演算部402は、第2の蒸気流量指令演算部403からの第2の蒸気流量指令値412と蒸気温度信号と蒸気圧力信号とを入力し、第2蒸気流量調節弁312の開度指令信号422が算出される。蒸気温度信号と蒸気圧力信号とを演算に反映することで、蒸気の流量をさらに高精度に制御することができる。
The second steam flow control valve opening degree
第2の蒸気流量指令演算部403については、蒸気消費設備6で消費しきれない余剰の蒸気を蒸気注入ガスタービン4に注入して増出力を図るための制御方法を例に説明する。
第2の蒸気流量指令演算部403は、図9に示すように、蒸気圧力が高くなってあらかじめ定めた値に達した時に第2蒸気流量調節弁312の開動作を開始させて、その後、蒸気圧力305がほぼ一定となるように第2の蒸気流量指令値412を設定している。このことにより、燃料流量203が変化して排熱回収ボイラ5で発生する蒸気量が変化したり、蒸気消費設備6で使用される蒸気量が変化したりした場合であっても、蒸気圧力を一定に保つことができる。
The second steam flow
As shown in FIG. 9, the second steam flow
また、第2の蒸気流量指令演算部403は、図10に示すように圧力比を基に第2蒸気流量指令値412の最大値を制限している。このことにより、第2の蒸気流量が大きくなりすぎて蒸気注入ガスタービン4の圧力比が高くなり圧縮機サージマージンが小さくなりすぎることを防止できる。
Further, the second steam flow
以上説明したように、本実施の形態によれば、蒸気消費設備6で必要な蒸気量が変化した場合であって、蒸気注入ガスタービン4に注入される蒸気量を変化させて熱電比可変の運用をおこなう際にも、安定した燃焼を維持しつつNOx排出量を最小限に抑えることができる。 As described above, according to the present embodiment, when the amount of steam required in the steam consuming facility 6 changes, the amount of steam injected into the steam injection gas turbine 4 is changed to change the thermoelectric ratio. In operation, NOx emissions can be minimized while maintaining stable combustion.
最後に、第2の蒸気流量を考慮した第1の蒸気流量の制御について説明する。図1に示す第2の蒸気332において、希釈孔14から燃焼器ライナ10内へ流入する大部分の蒸気332a以外の第2の蒸気の一部(322b)は、2次燃焼空気110および燃焼空気104に混合して燃焼に用いられることでNOx排出量低減に寄与する。その際、第2の蒸気332の流量が増減すると、大部分の蒸気332aと、低NOx化に寄与する一部の蒸気332bの流量比、およびそれぞれの流量が増減する。
Lastly, control of the first steam flow rate in consideration of the second steam flow rate will be described. In the
本実施の形態においては、低NOx化に寄与する第2の蒸気332bの流量が増減しても、火炎の燃焼安定性と低NOx性能を両立させるために、図4に示す第1の蒸気流量指令演算部401に第2の蒸気流量指令値412の信号を入力し、図8に示すように第2蒸気の流量指令値に基づいて第1蒸気の流量指令値を制御している。
In this embodiment, even if the flow rate of the second steam 332b contributing to the reduction of NOx is increased or decreased, the first steam flow rate shown in FIG. The signal of the second steam
具体的には、第2の蒸気流量指令値の増加にともない、第1の蒸気流量指令値を徐々に低下させ、第2の蒸気流量指令値が過大のときには、第1の蒸気流量指令値を0とする。このことにより、燃焼空気104および2次燃焼空気110に含まれる湿分が適切になるように制御される。この制御により、第2の蒸気流量が増減した場合でも、低NOxかつ安定な燃焼を維持することができる。また、制限値以内であれば、第2の蒸気流量の増減と独立して燃料流量や空気流量の変化に応じて、上述したように低NOx燃焼を維持できる。
Specifically, the first steam flow rate command value is gradually decreased with the increase of the second steam flow rate command value, and when the second steam flow rate command value is excessive, the first steam flow rate command value is decreased. Set to 0. Thus, the moisture contained in the
さらに、蒸気消費設備6での熱の需要が大きくなって、第2の蒸気流量が小さくなった場合でも、第1の蒸気が燃焼空気104に混入するので、第2の蒸気だけで低NOx化を図る場合に比べて、低NOx化に必要な蒸気量を減らすことができるため、より多くの熱需要に応えることができる。
Furthermore, even when the demand for heat in the steam consuming equipment 6 increases and the second steam flow rate decreases, the first steam is mixed into the
以上説明したように、本実施の形態によれば、蒸気の消費量が小さいときに、NOx排出量抑制を兼ねて、燃焼器に余剰蒸気を注入して発電量を増加させる熱電可変型コジェネレーションシステムにおいて、第2の蒸気の一部を燃焼空気に混合して低NOx化を図った場合でも、燃料流量、空気流量、第2の蒸気流量の変化に対して消炎することを防止でき、低NOxかつ安定な信頼性の高いガスタービンを供給できる。 As described above, according to the present embodiment, when the consumption of steam is small, the thermoelectric variable cogeneration system in which excess steam is injected into the combustor to increase the amount of power generation while also suppressing NOx emissions. In the system, even if a part of the second steam is mixed with the combustion air to reduce the NOx, it is possible to prevent the flame from extinguishing against changes in the fuel flow rate, the air flow rate, and the second steam flow rate. NOx and a stable and highly reliable gas turbine can be supplied.
また、多量の余剰蒸気を燃焼器に注入することができ、熱電比の変化幅を大きくして、使い勝手を向上できる。逆に蒸気の消費量が大きく燃焼器に注入することができる蒸気が少量の時でも、NOx生成量への感度が大きい燃焼空気104に第1の蒸気を混合することができるので、低NOx効果を維持することができる。
In addition, a large amount of excess steam can be injected into the combustor, and the range of change in the thermoelectric ratio can be increased, thereby improving usability. Conversely, even when the consumption of steam is large and the amount of steam that can be injected into the combustor is small, the first steam can be mixed with the
更に、高温のドレン水を系外へ排出した後に処理することと比較すると、高温水を処理するための設備を小さくできることに加え、ドレン水の持つ熱エネルギを内部で利用できるため、エネルギの節約にもなる。 Furthermore, in comparison with the treatment after discharging the high-temperature drain water out of the system, the equipment for treating the high-temperature water can be reduced, and the thermal energy of the drain water can be used internally, thus saving energy. Also.
上述した本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第1の実施の形態によれば、蒸気注入ガスタービン4の起動時に、燃焼の安定性を維持しつつ低NOx化を図ることができる。また、ドレン水処理設備を小型化できる。 According to the above-described first embodiment of the steam injection gas turbine of the present invention and the control method therefor, when starting up the steam injection gas turbine 4, it is possible to reduce NOx while maintaining combustion stability. In addition, the drain water treatment equipment can be downsized.
以下、本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第2の実施の形態を図面を用いて説明する。図11は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第2の実施の形態の構成の一例を示すシステムフロー図である。図11において、図1乃至図10に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。 Hereinafter, a second embodiment of a steam injection gas turbine and a control method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 11 is a system flow diagram showing an example of the configuration of the second embodiment of the steam injection gas turbine and the control method thereof according to the present invention. 11, the same reference numerals as those shown in FIGS. 1 to 10 denote the same parts, and a detailed description thereof will be omitted.
図11に示す本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第2の実施の形態は、大略第1の実施の形態と同様の機器で構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、蒸気ヘッダ350の最下部に蒸気ヘッダ350と連通するドレン水連通管353の一端側が接続されている。ドレン水連通管353の他端側の先端には水噴霧ノズル354が取り付けられている。水噴霧ノズル354は、燃焼器ライナ10とライナフロースリーブ11の間の環状空間に向けて開口している。
The second embodiment of the steam injection gas turbine and the control method thereof according to the present invention shown in FIG. 11 is constituted by substantially the same equipment as the first embodiment, but differs in the following constitution. In the present embodiment, one end of a drain
本実施の形態においては、蒸気注入開始時に発生したドレン水は蒸気ヘッダ350の最下部に溜まり、蒸気の圧力によってドレン水連通管353を流れ、水噴霧ノズル354から微細な水滴となって噴出する。噴出位置が燃焼器ライナ10とライナフロースリーブ11の間の環状空間であるため、そこを流れる燃焼空気104と混合する過程で蒸発する。このことにより、燃焼器ライナ10内で燃焼に用いられる際には、火炎温度を低下させるので、NOx抑制に効果を発揮する。
In the present embodiment, the drain water generated at the start of the steam injection accumulates at the lowermost portion of the
水噴霧ノズル354は蒸気ノズル352と異なり、水を微細な水滴にして噴霧することができる。そのため、ドレン水が蒸気ノズル352から噴出した場合と比較して蒸発が早くなり、ドレン水が液体のまま火炎に到達して燃焼安定性を損なう可能性を小さくできる。
Unlike the
また、このことから、蒸気注入開始時の第1蒸気流量調節弁311の開度を、第1の実施の形態の場合よりも、大きく設定しても燃焼の安定性を損ねる可能性を小さくできる。この結果、ドレン水の排出が早くなるので、起動時間を短くすることができる。
From this, even if the opening degree of the first steam
第1の実施の形態においては、ドレン量の検出手段としてバーナメタル温度を用いたが、本実施の形態においては、水噴霧ノズル354に熱電対を設けて、水噴霧ノズル354のメタル温度を使用することもできる。水噴霧ノズル354のメタル温度は、ドレン排出中はドレン水の飽和温度に近く、ドレン水が無くなると蒸気供給温度に近くなるため、第1の実施の形態において、バーナメタル温度を基に説明したドレン検出制御が、水噴霧ノズルのメタル温度を基にしても同様に行なえる。 In the first embodiment, the burner metal temperature is used as the drain amount detecting means. In the present embodiment, a thermocouple is provided in the water spray nozzle 354 to use the metal temperature of the water spray nozzle 354. You can also. The metal temperature of the water spray nozzle 354 is close to the saturation temperature of the drain water during drain discharge, and close to the steam supply temperature when drain water is exhausted. Therefore, in the first embodiment, the description has been given based on the burner metal temperature. The drain detection control can be similarly performed based on the metal temperature of the water spray nozzle.
また、水噴霧ノズル354は、バーナよりも火炎から離れた位置にあるため、ドレン水による燃焼安定性を判定するためには、バーナメタル温度の方が適している。しかし、水噴霧ノズル354は直接高温の火炎にさらされることが無いため、ドレン量検出手段の寿命を延ばせる点においては、水噴霧ノズルメタル温度を利用する利点がある。 Further, since the water spray nozzle 354 is located farther from the flame than the burner, the burner metal temperature is more suitable for determining the combustion stability by drain water. However, since the water spray nozzle 354 is not directly exposed to a high-temperature flame, there is an advantage of using the water spray nozzle metal temperature in extending the life of the drain amount detecting means.
上述した本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第2の実施の形態によれば、上述した第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。 According to the above-described second embodiment of the steam injection gas turbine and the control method of the present invention, the same effects as those of the above-described first embodiment can be obtained.
また、上述した本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第2の実施の形態によれば、ドレン水連通管353と水噴霧ノズル354を設けたので、ドレン水の蒸発を早くさせることができる。このことにより、蒸気注入開始による燃焼安定性を損なう可能性を小さくすることができる。
Further, according to the above-described second embodiment of the steam injection gas turbine and the control method of the present invention, the drain
以下、本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第3の実施の形態を図面を用いて説明する。図12は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第3の実施の形態の構成の一例を示すシステムフロー図である。図12において、図1乃至図11に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。 Hereinafter, a third embodiment of the steam injection gas turbine and the control method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 12 is a system flow diagram showing an example of the configuration of the third embodiment of the steam injection gas turbine and the control method thereof according to the present invention. 12, the same reference numerals as those shown in FIGS. 1 to 11 denote the same parts, and a detailed description thereof will be omitted.
図12に示す本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第3の実施の形態は、大略第1の実施の形態と同様の機器で構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、燃焼器ライナ10の外表面にライナメタル温度検出手段の一例として、熱電対28を設置している。設置位置はライナ希釈孔14の近傍が望ましい。
The third embodiment of the steam injection gas turbine and the control method for the same according to the present invention shown in FIG. 12 is configured by substantially the same equipment as the first embodiment, but differs in the following configuration. In the present embodiment, a
上述したように、燃焼器2への蒸気注入開始時には、第2の蒸気配管322の温度が低いため発生したドレン水の一部は、燃焼器ライナ10外表面に付着する。また、残りの一部は蒸気や空気の流れに乗って流れ、燃料ノズル9の壁面に付着する。その際、ドレン水の発生量が少ないと、流下中にドレン水は蒸発してしまい、燃料ノズル9の軸中心の下流端に設置した熱電対27では、ドレン水を検出できないことが考えられる。この場合、燃料ノズル9までドレン水が到達していないと考えられるので、燃焼の安定性は確保されている。しかし、熱電対27に変化が生じないので、ドレン水が無くなったことの判定が難しいという問題がある。
As described above, at the start of the steam injection into the
これに対して、本実施の形態においては、燃焼ライナ10の外表面にもライナメタル温度検出器としての熱電対28を設けて、バーナメタル温度と合わせて判定に用いることで、ドレン水の有無の検出精度を向上させている。例えば、ライナメタル温度とバーナメタル温度がともに低下している場合は、ドレン水が多量に混入していると判断できる。次に、ライナメタル温度のみが低下している場合は、第2の蒸気332にドレン水が混入しているものの、燃焼不安定が生じるほどではないと判断できる。最後に、ライナメタル温度とバーナメタル温度のどちらの温度も低下していない場合は、ドレン水が混入していないと判定できる。このように、ライナメタル温度とバーナメタル温度を組み合わせてドレン水の有無を判定することで、検出精度を高めることができる。また、第2の実施の形態で示した水噴霧ノズル354のメタル温度を、バーナメタル温度やライナメタル温度と組合せることでも、ドレン水の検出精度を高めることができる。
On the other hand, in the present embodiment, a
上述した本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第3の実施の形態によれば、上述した第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。 According to the above-described third embodiment of the steam injection gas turbine and the control method of the present invention, the same effects as those of the above-described first embodiment can be obtained.
また、上述した本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第3の実施の形態によれば、ライナメタル温度とバーナメタル温度を組み合わせてドレン水の有無を判定するので、ドレン水の検出精度を高めることができる。 According to the above-described third embodiment of the steam injection gas turbine and the control method of the present invention, the presence / absence of drain water is determined by combining the liner metal temperature and the burner metal temperature. Can be increased.
以下、本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第4の実施の形態を図面を用いて説明する。図13は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第4の実施の形態の構成の一例を示すシステムフロー図、図14は本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第4の実施の形態の構成の他の例を示すシステムフロー図である。図13および図14において、図1乃至図12に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。 Hereinafter, a fourth embodiment of a steam injection gas turbine and a control method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 13 is a system flow diagram showing an example of the configuration of a fourth embodiment of the steam injection gas turbine and the control method therefor according to the present invention, and FIG. 14 is a fourth embodiment of the steam injection gas turbine and the control method therefor according to the present invention. FIG. 21 is a system flow diagram showing another example of the configuration of the embodiment. 13 and 14, the same reference numerals as those shown in FIGS. 1 to 12 denote the same parts, and a detailed description thereof will be omitted.
図13に示す本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第4の実施の形態の一例は、大略第1の実施の形態と同様の機器で構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、火炎検出器29の検出面を燃焼器ライナ10の壁面まで挿入して、ドレン量検出手段として制御に用いている。
An example of the fourth embodiment of the steam injection gas turbine and the control method for the same according to the fourth embodiment of the present invention shown in FIG. 13 is configured by substantially the same equipment as the first embodiment, but differs in the following configuration. In the present embodiment, the detection surface of the
火炎検出器29は、本実施の形態の目的であるドレン量検出手段とは別に、例えば、ガスタービン起動時の点火検出を目的として設置されている場合がある。この火炎検出器をドレン量検出にも利用することで、ドレン量検出のために別途検出器を設けなくてもよくなり、コストの低減が図れる。
The
一般に、燃焼器2の火炎中にドレン水が混入すると火炎の輝度が大きくなる。このため、火炎検出器でこのような火炎の輝度の増大を検出する。輝度が大きいときはドレン水が混入しており、輝度が小さくなるとドレン水が無くなったと判定することができる。このようにして、火炎検出器29をドレン量検出手段として利用できる。
Generally, when drain water is mixed in the flame of the
本実施の形態における他の例は、図14に示すように、火炎検出器に代えて、圧力導管31の一端側を燃焼器ライナ10の壁面まで挿入して、その他端側に圧力変動検出器32を設置している。
As another example in the present embodiment, as shown in FIG. 14, instead of a flame detector, one end of a
燃焼器2の火炎中にドレン水が混入し燃焼が不安定になると、火炎の位置や発熱が時間的に変動して、燃焼器ライナ10内の圧力が変動する。これを圧力変動検出器32で検出すれば、圧力変動が大きいときはドレン水が混入しており、圧力変動が小さくなるとドレン水が無くなったと判定することができる。このようにして、圧力導管31と圧力変動検出器32をドレン量検出手段として利用できる。
When drain water is mixed into the flame of the
図14による場合は、高温の燃焼ガスに面しているのは圧力導管31のみであり、圧力変動検出器32は燃焼器ケーシング7の外に設置することができる。高温にさらされる圧力導管31は耐熱性があってかつ安価であり、高価で耐熱性の少ない圧力変動検出器32は低温環境の場所場に設置できるので、ドレン量検出手段のコストを抑えつつ、信頼性を高めることができる。
In the case according to FIG. 14, only the
上述した本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第4の実施の形態によれば、上述した第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。 According to the above-described fourth embodiment of the steam injection gas turbine and the control method of the present invention, the same effects as those of the above-described first embodiment can be obtained.
また、上述した本発明の蒸気注入ガスタービン及びその制御方法の第4の実施の形態によれば、ドレン量検出手段のためのコストを抑えつつ、信頼性を高めることができる。 Further, according to the above-described fourth embodiment of the steam injection gas turbine and the control method thereof according to the present invention, it is possible to increase the reliability while suppressing the cost for the drain amount detecting means.
1:圧縮機、2:燃焼器、3:タービン、4:蒸気注入ガスタービン、5:排熱回収ボイラ、6:蒸気消費設備、7:燃焼器ケーシング、8:燃焼器カバー、9:燃料ノズル、10:燃焼器ライナ、11:ライナフロースリーブ、12:尾筒、13:尾筒フロースリーブ、14:希釈孔、15:蒸気注入ポート、16:蒸気注入孔、17:旋回器、18:隔壁、20:発電機、23:タービンケーシング、25:ボイラ、29:火炎検出器、31:圧力道管、32:圧力変動検出器、100:空気、101:燃焼用空気、102:ライナ冷却空気、103:希釈空気、104:燃焼空気、105:燃焼ガス、106:燃焼ガス、107:ガスジェネレータ排気ガス、108:タービン排ガス、109:排気ガス、110:2次燃焼空気、200:燃料系統、201:燃料、202:燃料流量調整弁、203:燃料流量計、300:蒸気供給系統、301:第1の蒸気系統、302:第2の蒸気系統、303:プロセス蒸気配管、304:蒸気放出系統、311:第1蒸気流量調節弁、312:第2蒸気流量調節弁、313:プロセス蒸気流量調節弁、314:蒸気放出弁、331:第1の蒸気、332:第2の蒸気、350:蒸気ヘッダ、351:蒸気フランジ、352:蒸気ノズル、353:ドレン水連通管、354:水噴霧ノズル 1: compressor, 2: combustor, 3: turbine, 4: steam injection gas turbine, 5: exhaust heat recovery boiler, 6: steam consuming equipment, 7: combustor casing, 8: combustor cover, 9: fuel nozzle , 10: combustor liner, 11: liner flow sleeve, 12: transition piece, 13: transition piece flow sleeve, 14: dilution hole, 15: steam injection port, 16: steam injection hole, 17: swirler, 18: partition wall , 20: generator, 23: turbine casing, 25: boiler, 29: flame detector, 31: pressure pipe, 32: pressure fluctuation detector, 100: air, 101: combustion air, 102: liner cooling air, 103: dilution air, 104: combustion air, 105: combustion gas, 106: combustion gas, 107: gas generator exhaust gas, 108: turbine exhaust gas, 109: exhaust gas, 110: secondary combustion air, 20 : Fuel system, 201: fuel, 202: fuel flow control valve, 203: fuel flow meter, 300: steam supply system, 301: first steam system, 302: second steam system, 303: process steam piping, 304 : Steam release system, 311: first steam flow control valve, 312: second steam flow control valve, 313: process steam flow control valve, 314: steam discharge valve, 331: first steam, 332: second steam , 350: steam header, 351: steam flange, 352: steam nozzle, 353: drain water communication pipe, 354: water spray nozzle
Claims (9)
前記燃焼用空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動するタービンとを備え、前記燃焼器に蒸気を注入する蒸気注入ガスタービンであって、
前記蒸気の注入系統は2系統に分岐されていて、
前記燃焼器における前記燃焼ガスの流れに対して火炎帯の上流側において、噴射した蒸気の大部分が前記燃焼用空気または前記燃料と混合する位置に前記蒸気を注入する第1の蒸気系統と、
前記燃焼器における前記燃焼ガスの流れに対して火炎帯の下流側において、噴射した蒸気の大部分が前記燃焼ガスと混合し、残りの一部分の前記蒸気が前記燃焼ガスの流れに対して火炎帯の上流側において、前記燃焼用空気と混合する位置に蒸気を注入する第2の蒸気系統と、
前記第1の蒸気系統の蒸気流量と前記第2の蒸気系統の蒸気流量とを個別に制御可能な流量制御機構と、
蒸気注入開始時に前記燃焼器内に流入するドレン水の量を検出するドレン量検出手段とを備え、
前記ドレン量検出手段は、前記燃焼器のメタル温度を計測するメタル温度計測手段と、前記メタル温度計測手段が計測した前記燃焼器のメタル温度を基に前記ドレン水の量を演算する演算部とを備え、
前記流量制御機構は、前記ドレン量検出手段が検出した前記ドレン水の量の信号を基に、前記2系統の蒸気流量を制御する
ことを特徴とする蒸気注入ガスタービン。 A compressor that compresses air to produce high-pressure combustion air;
A combustor that generates combustion gas by burning the combustion air and fuel,
A turbine driven by combustion gas generated by the combustor, and a steam injection gas turbine that injects steam into the combustor,
The steam injection system is branched into two systems,
A first steam system that injects the steam into a position where most of the injected steam mixes with the combustion air or the fuel on the upstream side of the flame zone with respect to the flow of the combustion gas in the combustor;
Downstream of the flame zone with respect to the flow of the combustion gas in the combustor, most of the injected steam mixes with the combustion gas, and the remaining part of the steam flows into the flame zone with respect to the flow of the combustion gas. A second steam system for injecting steam into a position where the steam is mixed with the combustion air,
A flow control mechanism capable of individually controlling the steam flow rate of the first steam system and the steam flow rate of the second steam system,
Drain amount detection means for detecting the amount of drain water flowing into the combustor at the start of steam injection,
The drain amount detection means, a metal temperature measurement means for measuring the metal temperature of the combustor, and an arithmetic unit for calculating the amount of the drain water based on the metal temperature of the combustor measured by the metal temperature measurement means, With
The steam injection gas turbine, wherein the flow rate control mechanism controls the steam flow rates of the two systems based on a signal indicating the amount of the drain water detected by the drain amount detection unit.
前記流量制御機構は、前記燃焼器への蒸気注入開始時には、前記第2の蒸気系統の蒸気を注入し、前記ドレン量検出手段の検出したドレン水の量が無くなったことを確認した後に、前記第1の蒸気系統の蒸気を注入開始する
ことを特徴とする蒸気注入ガスタービン。 The steam injection gas turbine according to claim 1,
At the start of steam injection into the combustor, the flow rate control mechanism injects steam from the second steam system, and after confirming that the amount of drain water detected by the drain amount detection means has disappeared, A steam injection gas turbine for starting injection of steam of a first steam system.
前記燃焼器は、前記第1の蒸気系統からの第1の蒸気を噴射する複数の蒸気ノズルと、
前記複数の蒸気ノズルのそれぞれと連通する蒸気ヘッダと、
前記蒸気ヘッダの最下部と連通する水噴霧ノズルとを備え、
前記水噴霧ノズルの出口は、前記燃焼用空気の流れにおいて火炎帯よりも上流側の位置に開口している
ことを特徴とする蒸気注入ガスタービン。 The steam injection gas turbine according to claim 1 or 2,
A plurality of steam nozzles for injecting first steam from the first steam system;
A steam header communicating with each of the plurality of steam nozzles,
A water spray nozzle communicating with the lowermost portion of the steam header,
The steam injection gas turbine, wherein an outlet of the water spray nozzle is opened at a position upstream of a flame zone in the flow of the combustion air.
前記燃焼器は、前記燃焼用空気と前記燃料を燃焼させる燃焼室を形成する燃焼器ライナと、前記燃焼器ライナの中に前記燃料を噴射するバーナとを備え、
前記ドレン量検出手段の前記メタル温度計測手段は、前記バーナのメタル温度と前記燃焼器ライナのメタル温度の少なくとも1つのメタル温度を計測する
ことを特徴とする蒸気注入ガスタービン。 The steam injection gas turbine according to any one of claims 1 to 3 ,
The combustor includes a combustor liner forming a combustion chamber for burning the combustion air and the fuel, and a burner for injecting the fuel into the combustor liner,
The steam injection gas turbine, wherein the metal temperature measuring means of the drain amount detecting means measures at least one of a metal temperature of the burner and a metal temperature of the combustor liner.
前記燃焼器は、前記燃焼用空気と前記燃料を燃焼させる燃焼室を形成する燃焼器ライナと、前記燃焼器ライナの中に前記燃料を噴射するバーナとを備え、
前記ドレン量検出手段の前記メタル温度計測手段は、前記バーナのメタル温度と前記燃焼器ライナのメタル温度と前記水噴霧ノズルのメタル温度の少なくとも1つのメタル温度を計測する
ことを特徴とする蒸気注入ガスタービン。 The steam injection gas turbine according to claim 3,
Before SL combustor includes a combustor liner forming a combustion chamber for combusting the fuel with the combustion air, and a burner for injecting said fuel into said combustor liner,
Wherein the metal temperature measuring means of the drain amount detecting means measures at least one metal temperature of the metal temperature of the burner, the metal temperature of the combustor liner, and the metal temperature of the water spray nozzle. gas turbine.
前記ドレン量検出手段は、注入する前記蒸気の飽和温度を算出する飽和蒸気温度演算部を備え、
前記飽和蒸気温度演算部が算出した前記蒸気の飽和温度と前記メタル温度を基に前記ドレン水の量を演算する演算部を備えた
ことを特徴とする蒸気注入ガスタービン。 The steam injection gas turbine according to any one of claims 1 to 5 ,
The drain amount detection unit includes a saturated steam temperature calculation unit that calculates a saturation temperature of the steam to be injected,
A steam injection gas turbine, comprising: a calculating unit that calculates the amount of the drain water based on the saturated temperature of the steam calculated by the saturated steam temperature calculating unit and the metal temperature.
前記ドレン量検出手段は、蒸気注入する直前の前記メタル温度を記憶する信号保持記憶部を備え、
前記信号保持記憶部が記憶したメタル温度と、前記蒸気の飽和温度と前記メタル温度を基に前記ドレン水の量を演算する演算部を備えた
ことを特徴とする蒸気注入ガスタービン。 The steam injection gas turbine according to claim 6 ,
The drain amount detection unit includes a signal holding storage unit that stores the metal temperature immediately before steam injection,
A steam injection gas turbine, comprising: a calculation unit that calculates the amount of the drain water based on the metal temperature stored in the signal holding storage unit, the saturation temperature of the steam, and the metal temperature.
前記第1の蒸気系統または前記第2の蒸気系統の蒸気注入開始からの時間を計測するタイマー演算部を備え、
前記タイマー演算部からの信号および前記ドレン量検出手段からの信号に基づいて、前記2系統の蒸気流量を制御する
ことを特徴とする蒸気注入ガスタービン。 The steam injection gas turbine according to any one of claims 1 to 7 ,
A timer operation unit that measures time from the start of steam injection of the first steam system or the second steam system,
A steam injection gas turbine, wherein the steam flow rate of the two systems is controlled based on a signal from the timer calculation unit and a signal from the drain amount detection unit.
前記燃焼用空気と燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスで駆動するタービンと、
前記燃焼器における前記燃焼ガスの流れに対して火炎帯の上流側において、噴射した蒸気の大部分が前記燃焼用空気または前記燃料と混合する位置に前記蒸気を注入する第1の蒸気系統と、
前記燃焼器における前記燃焼ガスの流れに対して火炎帯の下流側において、噴射した蒸気の大部分が前記燃焼ガスと混合し、残りの一部分の前記蒸気が前記燃焼ガスの流れに対して火炎帯の上流側において、前記燃焼用空気と混合する位置に蒸気を注入する第2の蒸気系統と、
前記第1の蒸気系統の蒸気流量と前記第2の蒸気系統の蒸気流量とを個別に制御可能な流量制御機構と、
蒸気注入開始時に前記燃焼器内に流入するドレン水の量を検出するドレン量検出手段とを備えた蒸気注入ガスタービンの制御方法であって、
前記ドレン量検出手段は、前記燃焼器のメタル温度を計測するメタル温度計測手段と、前記メタル温度計測手段が計測した前記燃焼器のメタル温度を基に前記ドレン水の量を演算する演算部とを備え、
前記流量制御機構は、前記燃焼器への蒸気注入開始時には、前記第2の蒸気系統の蒸気を注入する手順と、
前記ドレン量検出手段の検出したドレン水の量が無くなったことを確認した後に、前記第1の蒸気系統の蒸気を少量注入開始する手順と、
前記第1の蒸気系統の蒸気の注入開始後に、前記ドレン量検出手段の検出したドレン水の量の信号を基に、前記第1の蒸気系統の蒸気流量の制御を開始する手順とを備えた
ことを特徴とする蒸気注入ガスタービンの制御方法。 A compressor that compresses air to produce high-pressure combustion air;
A combustor that generates combustion gas by burning the combustion air and fuel,
A turbine driven by the combustion gas generated by the combustor;
A first steam system that injects the steam into a position where most of the injected steam mixes with the combustion air or the fuel on the upstream side of the flame zone with respect to the flow of the combustion gas in the combustor;
Downstream of the flame zone with respect to the flow of the combustion gas in the combustor, most of the injected steam mixes with the combustion gas, and the remaining part of the steam flows into the flame zone with respect to the flow of the combustion gas. A second steam system for injecting steam into a position where the steam is mixed with the combustion air,
A flow control mechanism capable of individually controlling the steam flow rate of the first steam system and the steam flow rate of the second steam system,
A drain amount detection means for detecting an amount of drain water flowing into the combustor at the start of steam injection, a control method of a steam injection gas turbine, comprising:
The drain amount detection means, a metal temperature measurement means for measuring the metal temperature of the combustor, and an arithmetic unit for calculating the amount of the drain water based on the metal temperature of the combustor measured by the metal temperature measurement means, With
A step of injecting steam from the second steam system at the start of steam injection into the combustor;
After confirming that the amount of drain water detected by the drain amount detecting means has been exhausted, a procedure of injecting a small amount of steam from the first steam system,
Starting the injection of the steam of the first steam system, starting the control of the steam flow rate of the first steam system based on the signal of the amount of the drain water detected by the drain amount detecting means. A method for controlling a steam injection gas turbine, comprising:
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