JP7458541B1 - ガスタービン制御装置、ガスタービン制御方法、及び、ガスタービン改造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フラッシュバックの誤検知を防止する。【解決手段】ガスタービン制御装置は、第１燃料及び第２燃料を、燃焼用空気と混合燃焼可能な燃焼器と、燃焼用空気の少なくとも一部を、燃焼器の下流側空間にバイパスして供給可能なバイパス路と、バイパス路に設けられたバイパス弁とを備えるガスタービンを制御対象とする。ガスタービン制御装置は、ガスタービンの負荷が増加するに従って、第２燃料の混焼率を増加するように制御するとともに、混焼率に基づいて、バイパス弁の開度を制御する。バイパス弁の開度制御は、ガスタービンの負荷に反比例して開度を減少させた場合にバイパス弁が全閉状態になる第１負荷より小さい第２負荷において、バイパス弁が全閉状態になるように、バイパス弁の開度を制御するように行われる。【選択図】図３

Description

本開示は、ガスタービン制御装置、ガスタービン制御方法、及び、ガスタービン改造方法に関する。

例えば火力発電プラントでは、発電機を駆動するためのタービンとして、燃料の燃焼によって生成された燃焼ガスで駆動されるガスタービンが用いられる。この種のガスタービンは、燃料を燃焼させるための燃焼器を備えており、ガスタービンの負荷に応じて、燃焼器に対する燃料の供給量を可変に制御する。例えば、ガスタービンの負荷が低い運転状態では、燃焼器に対する燃料の供給量が少なくなるため、燃焼領域における燃料と燃焼用空気との比（燃空比）が低下し、燃焼効率が悪化しやすい。

このような課題に対して特許文献１では、ガスタービンの低負荷運転時に、燃焼器に供給される燃焼用空気の一部を、バイパス弁を介して燃焼器の下流側空間にバイパスさせることにより、燃空比を高く保つことで保炎性を確保し、燃焼効率の改善を図っている。

特開２００１－１２４３３８号公報

ところで近年の火力発電プラントでは、地球温暖化の原因となる二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量を削減する手段として、発電効率の向上や化石燃料以外の水素などの燃料を積極的に利用することが検討されている。二酸化炭素の排出量を削減するためには、天然ガスのような第１燃料に対して、単位体積当たりの熱量が比較的低い第２燃料（水素）の混焼率を高めることが望ましい。しかし、水素は着火エネルギーが小さく、燃焼速度が速いため、水素の混焼率を高めると、フラッシュバック（火炎の逆流）等を生じる可能性が高まってしまう。

ガスタービンで発生するフラッシュバックは、タービンを通過した燃焼ガスの温度であるブレードパス温度（ＢＰＴ：Ｂｌａｄｅ Ｐａｓｓａｇｅ Ｔｅｍｐａｒａｔｕｒｅ）のトレンド変化により検知可能である。このブレードパス温度は、例えば、燃焼器の下流側に設置された熱電対のような温度センサによって測定される。

ここで上記特許文献１のように、ガスタービンの負荷が比較的低い場合に、バイパス弁を介して燃焼器の下流側空間に燃焼用空気の一部をバイパスさせると、燃焼器の下流側空間における流入状態が変化することにより、当該空間における熱分布（特に、温度が高くなるホットスポットの位置）が変動する。これは、前述のように設置された温度センサによるブレードパス温度の測定結果に影響を及ぼし、ブレードパス温度の測定結果に基づいてフラッシュバックの発生を誤検知してしまうおそれがある。

本開示の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、フラッシュバックの誤検知を防止可能なガスタービン制御装置、ガスタービン制御方法、及び、ガスタービン改造方法を提供することを目的とする。

本開示の少なくとも一実施形態に係るガスタービン制御装置は、上記課題を解決するために、
第１燃料、及び、前記第１燃料よりも単位体積当たりの熱量が低い第２燃料を含む混合燃料を、燃焼用空気と混合して燃焼可能な燃焼器と、
前記燃焼用空気の少なくとも一部を、前記燃焼器の下流側空間にバイパスして供給可能なバイパス路と、
前記バイパス路に設けられたバイパス弁と、
を備えるガスタービンを制御するためのガスタービン制御装置であって、
前記ガスタービンの負荷が増加するに従って、前記第２燃料の混焼率を増加するように制御する混焼率制御部と、
前記混焼率に基づいて、前記バイパス弁の開度を制御するためのバイパス弁制御部と、
を備え、
前記バイパス弁制御部は、前記混焼率が第１閾値より大きい場合に、前記バイパス弁を全閉状態に制御する。

本開示の少なくとも一実施形態に係るガスタービン制御方法は、上記課題を解決するために、
第１燃料、及び、前記第１燃料よりも単位体積当たりの熱量が低い第２燃料を含む混合燃料を、燃焼用空気と混合して燃焼可能な燃焼器と、
前記燃焼用空気の少なくとも一部を、前記燃焼器の下流側空間にバイパスして供給可能なバイパス路と、
前記バイパス路に設けられたバイパス弁と、
を備えるガスタービンを制御するためのガスタービン制御方法であって、
前記ガスタービンの負荷が増加するに従って、前記第２燃料の混焼率を増加するように制御する工程と、
前記混焼率に基づいて、前記バイパス弁の開度を制御する工程と、
を備え、
前記バイパス弁を制御する工程では、前記混焼率が第１閾値より大きい場合に、前記バイパス弁を全閉状態に制御する。

本開示の少なくとも一実施形態に係るガスタービン改造方法は、上記課題を解決するために、
第１燃料を、燃焼用空気と混合して燃焼可能な燃焼器と、
前記燃焼用空気の少なくとも一部を、前記燃焼器の下流側空間にバイパスして供給可能なバイパス路と、
前記バイパス路に設けられたバイパス弁と、
を備え、
前記ガスタービンの負荷に基づいて前記バイパス弁の開度が制御される専焼運転モードを実施可能なガスタービンを改造するためのガスタービン改造方法であって、
前記第１燃料、及び、前記第１燃料よりも単位体積当たりの熱量が低い第２燃料を含む混合燃料を、前記燃焼器で前記燃焼用空気と混合して燃焼し、前記第２燃料の混焼率が第１閾値より大きい場合に、前記バイパス弁が全閉状態に制御される混焼運転モードを、前記専焼運転モードと切替可能に改造する。

本開示の少なくとも一実施形態によれば、フラッシュバックの誤検知を防止可能なガスタービン制御装置、ガスタービン制御方法、及び、ガスタービン改造方法を提供できる。

一実施形態に係るガスタービンの概略構成を示す図である。 図１の燃焼器の内部構成を簡略的に示す断面図である。 一実施形態に係るガスタービン制御装置の機能的構成を示すブロック図である。 図３のバイパス弁開度制御部によって制御される参考技術における、バイパス弁の開度及び混焼率と、ガスタービンの負荷との関係を示すグラフである。 図２に示す燃焼器を模式的に示す斜視図である。 図５のＢ断面におけるホットスポットを示す断面図である。 図３のバイパス弁開度制御部によって制御される一実施形態における、バイパス弁の開度及び混焼率と、ガスタービンの負荷との関係を示すグラフである。 図３のバイパス弁開度制御部によって制御される他の実施形態における、バイパス弁の開度及び混焼率と、ガスタービンの負荷との関係を示すグラフである。 図１の燃焼器が備える複数の燃料噴射ノズルのうちメイン燃料噴射ノズルの配置レイアウトを下流側から示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成は、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。

まず図１を参照して、本開示の少なくとも一実施形態に係るガスタービン制御装置１００の制御対象であるガスタービン１について説明する。図１は一実施形態に係るガスタービン１の概略構成を示す図であり、図２は図１の燃焼器２の内部構成を簡略的に示す断面図である。

ガスタービン１は、圧縮空気（以下、適宜「燃焼用空気Ａ」と称する）を生成するための圧縮機３、圧縮機３で生成された燃焼用空気と燃料とを混焼することで燃焼ガスを生成するための燃焼器２、燃焼器２に燃料を供給するための燃料供給系統４、及び、燃焼ガスによって駆動可能なタービン６を備える。圧縮機３及びタービン６は、一軸に連結されている。このような構成を有するガスタービン１では、燃焼器２には、圧縮機３からの燃焼用空気Ａ、及び、燃料供給系統４から供給される燃料（後述の混合燃料Ｆｍ）が供給され、これらが混合燃焼されて、燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスは、タービン６に流入し、タービン６を駆動するための作動媒体として機能する。

燃料供給系統４は、燃焼器２に供給される燃料として、第１燃料Ｆ１及び第２燃料Ｆ２が混合された混合燃料を取り扱う。第２燃料Ｆ２は第１燃料Ｆ１に比べて単位体積当たりの熱量が低い燃料である。本実施形態では、第１燃料Ｆ１は液化天然ガス（ＬＮＧ：Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）であり、第２燃料Ｆ２は水素ガスである。

第１燃料Ｆ１は、第１燃料供給源７に貯留されており、第１燃料供給源７に接続された第１燃料供給ライン８を介して供給される。第１燃料供給ライン８には、第１燃料Ｆ１の流量を検出するための流量計１０が設けられる。

第２燃料Ｆ２は、第２燃料供給源１４に貯留されており、第２燃料供給源１４に接続された第２燃料供給ライン１６を介して供給される。第２燃料供給ライン１６には、第２燃料Ｆ２の流量を調整するための第１流量調整弁１８、及び、第２燃料Ｆ２を遮断するための遮断弁１３、及び、第２燃料Ｆ２の流量を検出するための流量計１５が設けられる。

第１燃料供給ライン８及び第２燃料供給ライン１６は、下流側に設けられた合流点２５で互いに合流して主燃料供給ライン２２に接続される。合流点２５で第１燃料Ｆ１及び第２燃料Ｆ２が合流して混合された燃料（以下、適宜「混合燃料Ｆｍ」と称する）は主燃料供給ライン２２によって送られる。主燃料供給ライン２２には、混合燃料Ｆｍを遮断するための遮断弁２４、及び、混合燃料Ｆｍの流量を調整するための第２流量調整弁２６が設けられる。

主燃料供給ライン２２の下流側は、燃焼器２が備える複数の燃料噴射ノズル２９（図２を参照）にそれぞれ混合燃料Ｆｍを供給するための複数の燃料分岐供給ライン２８ａ、２８ｂ、・・・に分岐する。複数の燃料噴射ノズル２９には複数のメイン燃料噴射ノズルが含まれており、これらのメイン燃料噴射ノズル２８の少なくとも一部はノズル群としてグループ化されており、各グループに対する燃料分配比が可変に構成される。複数の燃料分岐供給ライン２８ａ、２８ｂ、・・・の各々には、各ラインを流れる混合燃料Ｆｍの流量を調整するための第３流量調整弁３０ａ、３０ｂ、・・・、及び、遮断弁３１ａ、３１ｂ、・・・が設けられる。

尚、複数の燃料噴射ノズル２９には、パイロット燃料噴射ノズルやトップハット燃料噴射ノズル等が含まれてもよい。

また圧縮機３は、入口案内翼３２（ＩＧＶ：Ｉｎｌｅｔ Ｇｕｉｅ Ｖａｎｅ）を備える。入口案内翼３２の開度は、後述のガスタービン制御装置１００によって可変に制御され、燃焼器２に供給する燃焼用空気Ａの流量を調整できるようになっている。また燃焼器２は、図２に示すように、車室内空気の一部をバイパス供給するためのバイパス通路３４を有する。バイパス通路３４は、燃焼器２の下流側空間３８ｂ（図２を参照）に連通することにより、車室内空気をバイパス空気Ａｂｙｐａｓｓとして供給可能である。バイパス通路３４には、バイパス弁３５が設けられており、その開度を調整することによりバイパス空気Ａｂｙｐａｓｓの流量を制御可能である。

図２に示すように、燃焼器２の燃焼室３８では、燃料噴射ノズル２９から噴射される混合燃料Ｆｍが、圧縮機３から供給される燃焼用空気Ａと混合されることで燃焼する。燃焼室３８のうち比較的前半部である上流側空間３８ａでは、混合燃料Ｆｍと燃焼用空気Ａとが混合燃焼されることで火炎が形成され、その下流側には、生成された燃焼ガスがタービン６に向けて流出される下流側空間３８ｂが設けられる。下流側空間３８ｂは、筒体３９によって囲まれており、筒体３９には下流側空間３６に連通するようにバイパス通路３４が接続される。

またタービン６のうち翼（動翼又は静翼）の下流側には、当該位置の燃焼ガスの温度であるブレードパス温度ＢＰＴを検出するための温度センサ４０が設置される。温度センサ４０は、例えば熱電対であるが、これに限られない。前述のように第１燃料Ｆ１及び第２燃料Ｆ２を混焼可能な燃焼器２を備えるガスタービン１では、第１燃料Ｆ１を専焼する場合に比べてフラッシュバック（逆火）が発生しやすくなる。このようなフラッシュバックは、ブレードパス温度ＢＰＴのトレンド変化により検知が可能である。

続いて上記構成を有するガスタービン１を制御するためのガスタービン制御装置１００について説明する。ガスタービン制御装置１００は、ガスタービン１を制御するためのコントロールユニットであり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。尚、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

図３は一実施形態に係るガスタービン制御装置１００の機能的構成を示すブロック図である。ガスタービン制御装置１００は、負荷取得部１０２と、混焼率制御部１０４と、バイパス弁開度制御部１０６と、温度検出部１０８と、フラッシュバック判定部１１０と、を備える。

負荷取得部１０２は、ガスタービン１の負荷Ｌを取得するための構成である。負荷Ｌは、ガスタービン１に対する負荷指令であってもよいし、ガスタービン１が実際に出力する負荷であってもよい。後者の場合、ガスタービン１の実際の出力として、タービン６に連結された発電機等の出力を取得してもよい。

混焼率制御部１０４は、負荷取得部１０２で取得されたガスタービン１の負荷Ｌに基づいて第２燃料Ｆ２の混焼率Ｒを制御するための構成である。本実施形態では、混焼率Ｒは、第１燃料供給ライン８に設けられた流量計７によって計測された第１燃料Ｆ１の流量と、第２燃料供給ライン１６に設けられた流量計１５によって計測された第２燃料Ｆ２の流量とを用いて演算的に求められる。混焼率制御部１０４は、負荷Ｌが増加するに従って、混焼率Ｒが増加するように制御する。

バイパス弁開度制御部１０６は、バイパス通路３４に設けられたバイパス弁３５の開度Ｄを制御するための構成である。バイパス弁開度制御部１０６によるバイパス弁３５の開度制御は、ガスタービン１の負荷Ｌに基づいて行われる。

ここでバイパス弁開度制御部１０６の制御例に関する参考技術ついて説明する。図４は参考技術においてバイパス弁開度制御部１０６によって制御されるバイパス弁３５の開度Ｄ及び混焼率Ｒと、ガスタービン１の負荷Ｌとの関係を示すグラフである（以下、図４を参照して示す参考技術に係る制御例を、適宜「第１制御モード」と称する）。

第１制御モードにおけるバイパス弁３５の開度制御は、ガスタービン１の負荷Ｌが上昇するに従って、バイパス弁３５の開度Ｄが減少するように行われる。すなわちガスタービンの負荷Ｌの増加に対してバイパス弁３５の開度Ｄは減少するように制御される。これにより、ガスタービンの負荷Ｌを増加させていくと、バイパス弁３５の開度は、第１レートＣ１で減少していき、所定の第１基準負荷Ｌｒｅｆ１においてバイパス弁３５が全閉状態になるように制御される。

図４の例では、負荷Ｌの増加に対してバイパス弁３５の開度が一次関数的に減少する振る舞いが示されている。この制御例では、ガスタービン１の負荷Ｌが比較的小さい場合には、燃焼器２に供給される混合燃料Ｆｍの流量が比較的少ないため、バイパス弁の開度Ｄを大きくする。このようにバイパス空気Ａｂｙｐａｓｓの流量を増加させることで、燃焼室３８における燃空比を適切にして燃焼効率を向上できる。一方、ガスタービン１の負荷Ｌが大きい場合には、燃焼器２に供給される混合燃料Ｆｍの流量も比較的多くなるため、バイパス弁の開度Ｄを小さくしてバイパス空気Ａｂｉａｓの流量を減少させる。これにより、燃焼室３８における燃空比を適切にし、燃焼効率を向上できる。

また第１制御モードでは、混焼率制御部１０４によって、第２燃料Ｆ２である水素ガスの混焼率Ｒが、負荷Ｌの増加に従って増加するように制御される。より具体的には、第２燃料Ｆ２の混焼率Ｒは、負荷Ｌが十分に小さい場合にはゼロ％に制御されることにより第１燃料Ｆ１による専焼運転が行われるが、負荷Ｌがある程度大きくなると、第２燃料Ｆ２の供給が開始されて混焼運転に移行する。図４では、第１基準負荷Ｌｒｅｆ１より小さい第２基準負荷Ｌｒｅｆ２を境界として、専焼運転から混焼運転に移行する。混焼運転領域では、第２燃料Ｆ２の供給量は、負荷Ｌが増加するに従って増加し、混焼率Ｒも次第に増加し、やがて予め設定された上限値（本実施形態では、３０％）に到達する。

図３に戻って、温度検出部１０８は、温度センサ４０の検出値を取得することにより、ブレードパス温度ＢＰＴを検出するための構成である。温度検出部１０８で検出されたブレードパス温度ＢＰＴは、フラッシュバック判定部１１０に入力されることにより、フラッシュバックの検知判定に用いられる。

フラッシュバック判定部１１０では、ブレードパス温度ＢＰＴのトレンド変化に基づいてフラッシュバックの発生有無について判定を行う。フラッシュバック判定部１１０によるフラッシュバックの判定手法は公知の例に倣うこととし、ここでは詳述を省略する。

ここで図５は図２に示す燃焼器２を模式的に示す斜視図であり、図６は図５のＢ断面におけるホットスポットＨＳを示す断面図である。前述の参考技術における制御例（第１制御モード）では、図４に示すように、混焼領域のうち比較的低負荷範囲（第１基準負荷Ｌｒｅｆ１以下の範囲）では、バイパス弁３５が開状態（開度Ｄが０％より大きい状態）にある。このとき、燃焼器２の下流側空間３８ｂには、図５に示すように、バイパス通路３４を介してバイパス空気Ａｂｙｐａｓｓが流入することにより、下流側空間３８ｂにおける主流（燃焼用空気Ａ）の流入状態が変化する。その結果、図６に示すように、下流側空間３８ｂにおけるホットスポットＨＳが変動することで、温度センサ４０によって検出されるブレードパス温度ＢＰＴも変動してしまう。

フラッシュバック判定部１１０では、このように変動するブレードパス温度ＢＰＴに基づいてフラッシュバックの発生について判定を行うと、本来、フラッシュバックが発生していないに関わらず、フラッシュバックが発生していると誤判定するおそれがある。このような課題は、次に説明する本実施形態に係る制御例（以下、適宜「第２制御モード」とも称する）によって好適に解決することができる。

図７Ａ及び図７Ｂは本実施形態に係る制御例（第２制御モード）におけるバイパス弁３５の開度Ｄ及び混焼率Ｒと、ガスタービン１の負荷Ｌとの関係を示すグラフである。本実施形態に係る制御例では、バイパス弁制御部１０６は、前述の参考技術（第１制御モード）と同様に、比較的低混焼率側では、第２燃料Ｆ２の混焼率Ｒの増加に対してバイパス弁３５の開度が減少するように制御される点で共通するが、混焼率Ｒが第１閾値Ｒ１より大きい範囲において、バイパス弁３５が全閉状態になるように、バイパス弁３５の開度制御が行われる。

ここで第１閾値Ｒ１は、ガスタービンの定格運転時に対応する最大混焼率をより小さい。図７Ａでは、第１閾値Ｒ１は最大混焼率である３０％とゼロ％との任意の中間値に設定されているが、図７Ｂに示すように、第１閾値Ｒ１はゼロ％に設定されていてもよい。これにより、フラッシュバックが生じやすくなる混焼領域において、バイパス弁３５を介した燃焼用空気Ａのバイパス供給が抑制されることで、燃焼器２の下流側空間３８ｂにおける主流の流入状態が安定する。その結果、バイパス供給される燃焼用空気Ａによってブレードパス温度ＢＰＴが変動することがない。そのため、フラッシュバック判定部１１０では、ブレードパス温度ＢＰＴのトレンド変化に基づいて、フラッシュバックを適切に検知できる。

また混焼率Ｒが第１閾値Ｒ１より大きい場合、では、燃焼器２が備える複数の燃料噴射ノズル２９に対する混合燃料Ｆｍの分配率を調整してもよい（燃焼器２が備える複数の燃料噴射ノズル２９に対する混合燃料Ｆｍの分配率の調整は、混焼率Ｒが第１閾値Ｒ１より大きい範囲（すなわちバイパス弁３５が全閉制御される範囲）において実施されてもよい）。ここで図８は図１の燃焼器２が備える複数の燃料噴射ノズル２９のうちメイン燃料噴射ノズル４２の配置レイアウトを下流側から示す図である。複数のメイン燃料噴射ノズル４２は、パイロット燃料噴射ノズル４４を中心として、その周囲に、周方向に沿って配置される。また複数のメイン燃料噴射ノズル４２は、複数のメイン燃料噴射ノズル群に分類される。本実施形態では、合計８本のメイン燃料噴射ノズル４２を有しており、図８において下方に示す３本のメイン燃料噴射ノズル４２からなる第１メイン燃料噴射ノズル群４２Ａと、残りの５本のメイン燃料噴射ノズル４２からなる第２メイン燃料噴射ノズル群４２Ｂとに分類される。

この場合、各燃料噴射ノズル２９に対する混合燃料Ｆｍの分配率として、第２メイン燃料噴射ノズル群４２Ｂに供給する燃料の流量である第２メイン流量ＭＢＣＳＯを、第１メイン燃料噴射ノズル群４２Ａに供給する燃料の流量である第１メイン流量ＭＡＣＳＯと第２メイン流量ＭＢＣＳＯとを加算した値で割った値として、次式により定義される燃料分配比ＫＭＢを用いることができる。
ＫＭＢ＝ＭＢＣＳＯ／（ＭＡＣＳＯ＋ＭＢＣＳＯ）

制御例の一つしては、ガスタービン１の負荷Ｌが小さくなるに従って、燃料分配比ＫＭＢが大きくなる（すなわち第２メイン流量ＭＢＣＳＯを、第１メイン流量ＭＡＣＳＯと第２メイン流量ＭＢＣＳＯとの合計に対して増加させる）。これにより、混焼率Ｒが比較的大きい領域においても、バイパス弁３５を全閉状態にしたまま、火炎温度や燃料速度を確保することで良好な燃焼効率を得ることができる。

一方で、混焼率Ｒが第１閾値以下となる範囲では、バイパス弁３５の開度Ｄはガスタービン１の負荷Ｌに基づいて制御される。すなわち、この範囲では、前述の参考技術と同様に、バイパス弁３５の開度Ｄは、負荷Ｌが増加するに従って減少するように制御される。これにより、混焼領域に比べてフラッシュバックの誤検知リスクが低い専焼領域では、ガスタービン１の負荷Ｌが減少するに従って、バイパス弁３５の開度が増加するように制御することで、低負荷域における燃空比の悪化を抑制し、良好な燃焼効率が得られる。

またバイパス弁３５が開状態にある混焼率Ｒが第１閾値Ｒ１以下である範囲のうち、ガスタービン１の負荷Ｌが第１閾値Ｒ１に対応する第１負荷Ｌ１より小さい第２負荷Ｌ２である場合、図４に示す参考技術と同様に、ガスタービン１の負荷Ｌの増加に対して一定の割合（第１レートＣ１）で減少するようにバイパス弁の開度Ｄが制御される。一方、
ガスタービン１の負荷Ｌが第２負荷Ｌ２以上であり、且つ、第１負荷Ｌ１である場合には、ガスタービン１の負荷Ｌ１の増加に対して、第１レートＣ１より大きな第２レートＣ２でバイパス弁３５の開度Ｄが減少するように制御される。言い換えると、負荷Ｌが０≦Ｌ≦Ｌ２の範囲では参考技術と同様の制御が行われるが、Ｌ２＜Ｌ≦Ｌ１の範囲では、ガスタービン１の負荷Ｌが第１負荷Ｌ１になるときにバイパス弁３５が全閉状態になるように開度Ｄが連続的に変化するように制御される。

以上説明したように上記各実施形態によれば、ガスタービン１の負荷Ｌが増加するに従って混焼率Ｒが増加するように制御される際に、第２燃料Ｆ２の混焼率Ｒが第１閾値Ｒ１より大きい場合、バイパス弁３５が全閉状態になるように制御される。これにより、フラッシュバックが生じやすくなる混焼運転時において、バイパス弁３５を介した燃焼用空気Ａのバイパス供給が抑制されることで、燃焼器２の下流側空間３８ｂにおける主流の流入状態が安定する。その結果、バイパス供給される燃焼用空気によってブレードパス温度ＢＰＴが変動することがなく、ブレードパス温度ＢＰＴのトレンド変化に基づいて、フラッシュバックを適切に検知できる。

その他、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態を適宜組み合わせてもよい。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

（１）一態様に係るガスタービン制御装置は、
第１燃料、及び、前記第１燃料よりも単位体積当たりの熱量が低い第２燃料を含む混合燃料を、燃焼用空気と混合して燃焼可能な燃焼器と、
前記燃焼用空気の少なくとも一部を、前記燃焼器の下流側空間にバイパスして供給可能なバイパス路と、
前記バイパス路に設けられたバイパス弁と、
を備えるガスタービンを制御するためのガスタービン制御装置であって、
前記ガスタービンの負荷が増加するに従って、前記第２燃料の混焼率を増加するように制御する混焼率制御部と、
前記混焼率に基づいて、前記バイパス弁の開度を制御するためのバイパス弁制御部と、
を備え、
前記バイパス弁制御部は、前記混焼率が第１閾値より大きい場合に、前記バイパス弁を全閉状態に制御する。

上記（１）の態様によれば、ガスタービンの負荷が増加するに従って混焼率が増加するように制御される際に、バイパス弁の開度は混焼率の増加に対して減少し、第１閾値より大きい混焼率においてバイパス弁が全閉状態になるように制御される。これにより、フラッシュバックが生じやすくなる混焼運転時において、バイパス弁を介した燃焼用空気のバイパス供給が抑制されることで、燃焼器の下流側空間における主流の流入状態が安定する。その結果、バイパス供給される燃焼用空気によってブレードパス温度が変動することがなく、ブレードパス温度のトレンド変化に基づいて、フラッシュバックを適切に検知できる。

（２）他の態様では、上記（１）の態様において、
前記第１閾値は、前記ガスタービンの定格運転時に対応する最大混焼率より小さい。

上記（２）の態様によれば、バイパス弁が全閉状態に制御される最小混焼率である第１閾値は、ガスタービンの定格運転時に対応する最大混焼率より小さく設定される。

（３）他の態様では、上記（２）の態様において、
前記第１閾値はゼロ％である。

上記（３）の態様によれば、バイパス弁が全閉状態に制御される最小混焼率である第１閾値がゼロ％に設定される。

（４）他の態様では、上記（１）から（３）のいずれか一態様において、
前記バイパス弁制御部は、前記ガスタービンの負荷が増加するに従って前記開度を減少させた場合に、前記第１閾値に対応する第１負荷より大きい負荷範囲において、前記バイパス弁を全閉状態に制御する。

上記（４）の態様によれば、混焼率が第１閾値より大きくなる負荷範囲においてバイパス弁が全閉状態に制御されることにより、フラッシュバックが生じやすくなる混焼運転時において、バイパス弁を介した燃焼用空気のバイパス供給を抑制できる。

（５）他の態様では、上記（４）の態様において、
前記バイパス弁制御部は、
前記ガスタービンの負荷が前記第１負荷より小さい第２負荷以下である場合に、前記バイパス弁の開度を、前記ガスタービンの負荷の増加に対して第１レートで減少するように制御し、
前記ガスタービンの負荷が前記第２負荷以上であり、且つ、前記第１負荷以下である場合に、前記バイパス弁の開度を、前記ガスタービンの.負荷の増加に対して前記第１レートより大きな第２レートで減少するように制御する。

上記（５）の態様によれば、ガスタービンの負荷が第２負荷以下である範囲では、ガスタービンの負荷の増加に対して第１レートで減少するようにバイパス弁の開度制御が行われる。一方で、ガスタービンの負荷が第２負荷から第１負荷以下である範囲では、ガスタービンの負荷の増加に対して第１レートに比べて大きな第２レートで減少するようにバイパス弁の開度制御が行われる。

（６）他の態様では、上記（１）から（５）のいずれか一態様において、
前記混焼率が少なくとも前記第１閾値より大きい場合、前記燃焼器が備える複数の燃料噴射ノズルに対する前記混合燃料の分配率を変更する。

上記（６）の態様によれば、ガスタービンの混焼率が第１閾値より大きい場合には、バイパス弁は全閉状態に制御される。この場合、燃焼器が備える複数の燃料噴射ノズルに対する混合燃料の分配率を変更することにより、燃焼効率の低下を抑制できる。例えば、ガスタービンの負荷が比較的低い場合には、一部の燃料噴射ノズルに対して限定的に混合燃料を供給することで、全ての燃料噴射ノズルに対して混合燃料を供給する場合に比べて、燃料噴射ノズルごとの燃料噴射量を増加させ、燃焼効率を向上できる。

（７）他の態様では、上記（１）から（６）のいずれか一態様において、
前記燃焼器によって生成された燃焼ガスの温度をタービン後方段翼の下流側の位置で検知するための温度センサと、
前記温度に基づいて、前記燃焼器におけるフラッシュバックの発生を判定するためのフラッシュバック判定部と、
を備える。

上記（７）の態様によれば、ガスタービンの混焼率が第１閾値より大きい場合にバイパス弁が全閉状態になるように制御されることにより、ホットスポットの変動による影響が抑えられ、ブレードパス温度に基づくフラッシュバックの発生に関する判定を精度よく行うことができる。

（８）一態様に係るガスタービン制御方法は、
第１燃料、及び、前記第１燃料よりも単位体積当たりの熱量が低い第２燃料を含む混合燃料を、燃焼用空気と混合して燃焼可能な燃焼器と、
前記燃焼用空気の少なくとも一部を、前記燃焼器の下流側空間にバイパスして供給可能なバイパス路と、
前記バイパス路に設けられたバイパス弁と、
を備えるガスタービンを制御するためのガスタービン制御方法であって、
前記ガスタービンの負荷が増加するに従って、前記第２燃料の混焼率を増加するように制御する工程と、
前記混焼率に基づいて、前記バイパス弁の開度を制御する工程と、
を備え、
前記バイパス弁を制御する工程では、前記混焼率が第１閾値より大きい場合に、前記バイパス弁を全閉状態に制御する。

上記（８）の態様によれば、ガスタービンの負荷が増加するに従って混焼率が増加するように制御される際に、バイパス弁の開度は混焼率の増加に対して減少し、第１閾値より大きい混焼率においてバイパス弁が全閉状態になるように制御される。これにより、フラッシュバックが生じやすくなる混焼運転時において、バイパス弁を介した燃焼用空気のバイパス供給が抑制されることで、燃焼器の下流側空間における主流の流入状態が安定する。その結果、バイパス供給される燃焼用空気によってブレードパス温度が変動することがなく、ブレードパス温度のトレンド変化に基づいて、フラッシュバックを適切に検知できる。

（９）一態様に係るガスタービン改造方法は、
第１燃料を、燃焼用空気と混合して燃焼可能な燃焼器と、
前記燃焼用空気の少なくとも一部を、前記燃焼器の下流側空間にバイパスして供給可能なバイパス路と、
前記バイパス路に設けられたバイパス弁と、
を備え、
前記ガスタービンの負荷に基づいて前記バイパス弁の開度が制御される専焼運転モードを実施可能なガスタービンを改造するためのガスタービン改造方法であって、
前記第１燃料、及び、前記第１燃料よりも単位体積当たりの熱量が低い第２燃料を含む混合燃料を、前記燃焼器で前記燃焼用空気と混合して燃焼し、前記第２燃料の混焼率が第１閾値より大きい場合に、前記バイパス弁が全閉状態に制御される混焼運転モードを、前記専焼運転モードと切替可能に改造する。

上記（９）の態様によれば、例えば天然ガスのような第１燃料を燃焼用空気と混合して燃焼（専焼）可能な燃焼器を備えるガスタービンを改造することにより、混焼運転が可能となる。混焼運転では、第１燃料に加え、第１燃料よりも単位体積当たりに熱量が低い、例えば水素のような第２燃料が混合されて燃焼されるが、第２燃料の混焼率が第１閾値より大きい場合にバイパス弁が全閉制御される。これにより、フラッシュバックが生じやすくなる混焼運転時において、バイパス弁を介した燃焼用空気のバイパス供給が抑制されることで、燃焼器の下流側空間における主流の流入状態が安定するように改善される。その結果、バイパス供給される燃焼用空気によってブレードパス温度が変動することがなく、ブレードパス温度のトレンド変化に基づいて、フラッシュバックを適切に検知できるようになる。このように改造されたガスタービンでは、例えば、第２燃料の供給が不能な場合には、専焼運転モードが実施される一方で、第２燃料の供給が可能な場合には、混焼運転モードが実施されることで、選択的に運転モードの切替が可能となる。

１ ガスタービン
２ 燃焼器
３ 圧縮機
６ タービン
７ 第１燃料供給源
８ 第１燃料供給ライン
１０ 流量計
１３ 遮断弁
１４ 第２燃料供給源
１５ 流量計
１６ 第２燃料供給ライン
１８ 第１流量調整弁
２２ 主燃料供給ライン
２４ 遮断弁
２５ 合流点
２６ 第２流量調整弁
２９ 燃料噴射ノズル
３０ａ、３０ｂ、・・・ 第３流量調整弁
３１ａ、３１ｂ、・・・ 遮断弁
３２ 入口案内翼
３４ バイパス通路
３５ バイパス弁
３８ 燃焼室
３８ａ 上流側空間
３８ｂ 下流側空間
３９ 筒体
４０ 温度センサ
４２ メイン燃料噴射ノズル
４４ パイロット燃料噴射ノズル
１００ ガスタービン制御装置
１０２ 負荷取得部
１０４ 混焼率制御部
１０６ バイパス弁開度制御部
１０８ 温度検出部
１１０ フラッシュバック判定部

Claims (12)

1. 第１燃料、及び、前記第１燃料よりも単位体積当たりの熱量が低く、且つ、燃焼速度が速い第２燃料を含む混合燃料を、燃焼用空気と混合して燃焼可能な燃焼器と、
   前記燃焼用空気の少なくとも一部を、前記燃焼器の下流側空間にバイパスして供給可能なバイパス路と、
   前記バイパス路に設けられたバイパス弁と、
   を備えるガスタービンを制御するためのガスタービン制御装置であって、
   前記ガスタービンの負荷が増加するに従って、前記第２燃料の混焼率を増加するように制御する混焼率制御部と、
   前記混焼率に基づいて、前記バイパス弁の開度を制御するためのバイパス弁制御部と、
   を備え、
   前記バイパス弁制御部は、前記混焼率が第１閾値より大きい場合に、前記バイパス弁を全閉状態に制御する、ガスタービン制御装置。
2. 前記第１閾値は、前記ガスタービンの定格運転時に対応する最大混焼率より小さい、請求項１に記載のガスタービン制御装置。
3. 前記第１閾値はゼロ％である、請求項２に記載のガスタービン制御装置。
4. 前記バイパス弁制御部は、前記ガスタービンの負荷が増加するに従って前記開度を減少させた場合に、前記第１閾値に対応する第１負荷より大きい負荷範囲において、前記バイパス弁を全閉状態に制御する、請求項１又は２に記載のガスタービン制御装置。
5. 前記バイパス弁制御部は、
   前記ガスタービンの負荷が前記第１負荷より小さい第２負荷以下である場合に、前記バイパス弁の開度を、前記ガスタービンの負荷の増加に対して第１レートで減少するように制御し、
   前記ガスタービンの負荷が前記第２負荷以上であり、且つ、前記第１負荷以下である場合に、前記バイパス弁の開度を、前記ガスタービンの.負荷の増加に対して前記第１レートより大きな第２レートで減少するように制御する、請求項４に記載のガスタービン制御装置。
6. 前記混焼率が少なくとも前記第１閾値より大きい場合、前記燃焼器が備える複数の燃料噴射ノズルに対する前記混合燃料の分配率を変更する、請求項１又は２に記載のガスタービン制御装置。
7. 前記燃焼器によって生成された燃焼ガスの温度をタービン後方段翼の下流側の位置で検知するための温度センサと、
   前記温度に基づいて、前記燃焼器におけるフラッシュバックの発生を判定するためのフラッシュバック判定部と、
   を備える、請求項１又は２に記載のガスタービン制御装置。
8. 第１燃料、及び、前記第１燃料よりも単位体積当たりの熱量が低い第２燃料を含む混合燃料を、燃焼用空気と混合して燃焼可能な燃焼器と、
   前記燃焼用空気の少なくとも一部を、前記燃焼器の下流側空間にバイパスして供給可能なバイパス路と、
   前記バイパス路に設けられたバイパス弁と、
   を備えるガスタービンを制御するためのガスタービン制御装置であって、
   前記ガスタービンの負荷が増加するに従って、前記第２燃料の混焼率を増加するように制御する混焼率制御部と、
   前記混焼率に基づいて、前記バイパス弁の開度を制御するためのバイパス弁制御部と、
   を備え、
   前記バイパス弁制御部は、前記混焼率が第１閾値より大きい場合に、前記バイパス弁を全閉状態に制御し、
   前記バイパス弁制御部は、前記ガスタービンの負荷が増加するに従って前記開度を減少させた場合に、前記第１閾値に対応する第１負荷より大きい負荷範囲において、前記バイパス弁を全閉状態に制御する
   ガスタービン制御装置。
9. 第１燃料、及び、前記第１燃料よりも単位体積当たりの熱量が低い第２燃料を含む混合燃料を、燃焼用空気と混合して燃焼可能な燃焼器と、
   前記燃焼用空気の少なくとも一部を、前記燃焼器の下流側空間にバイパスして供給可能なバイパス路と、
   前記バイパス路に設けられたバイパス弁と、
   を備えるガスタービンを制御するためのガスタービン制御装置であって、
   前記ガスタービンの負荷が増加するに従って、前記第２燃料の混焼率を増加するように制御する混焼率制御部と、
   前記混焼率に基づいて、前記バイパス弁の開度を制御するためのバイパス弁制御部と、
   を備え、
   前記バイパス弁制御部は、前記混焼率が第１閾値より大きい場合に、前記バイパス弁を全閉状態に制御し、
   前記混焼率が少なくとも前記第１閾値より大きい場合、前記燃焼器が備える複数の燃料噴射ノズルに対する前記混合燃料の分配率を変更する
   ガスタービン制御装置。
10. 第１燃料、及び、前記第１燃料よりも単位体積当たりの熱量が低い第２燃料を含む混合燃料を、燃焼用空気と混合して燃焼可能な燃焼器と、
    前記燃焼用空気の少なくとも一部を、前記燃焼器の下流側空間にバイパスして供給可能なバイパス路と、
    前記バイパス路に設けられたバイパス弁と、
    を備えるガスタービンを制御するためのガスタービン制御装置であって、
    前記ガスタービンの負荷が増加するに従って、前記第２燃料の混焼率を増加するように制御する混焼率制御部と、
    前記混焼率に基づいて、前記バイパス弁の開度を制御するためのバイパス弁制御部と、
    前記燃焼器によって生成された燃焼ガスの温度をタービン後方段翼の下流側の位置で検知するための温度センサと、
    前記温度に基づいて、前記燃焼器におけるフラッシュバックの発生を判定するためのフラッシュバック判定部と、
    を備え、
    前記バイパス弁制御部は、前記混焼率が第１閾値より大きい場合に、前記バイパス弁を全閉状態に制御する、ガスタービン制御装置。
11. 第１燃料、及び、前記第１燃料よりも単位体積当たりの熱量が低く、且つ、燃焼速度が速い第２燃料を含む混合燃料を、燃焼用空気と混合して燃焼可能な燃焼器と、
    前記燃焼用空気の少なくとも一部を、前記燃焼器の下流側空間にバイパスして供給可能なバイパス路と、
    前記バイパス路に設けられたバイパス弁と、
    を備えるガスタービンを制御するためのガスタービン制御方法であって、
    前記ガスタービンの負荷が増加するに従って、前記第２燃料の混焼率を増加するように制御する工程と、
    前記混焼率に基づいて、前記バイパス弁の開度を制御する工程と、
    を備え、
    前記バイパス弁を制御する工程では、前記混焼率が第１閾値より大きい場合に、前記バイパス弁を全閉状態に制御する、ガスタービン制御方法。
12. 第１燃料を、燃焼用空気と混合して燃焼可能な燃焼器と、
    前記燃焼用空気の少なくとも一部を、前記燃焼器の下流側空間にバイパスして供給可能なバイパス路と、
    前記バイパス路に設けられたバイパス弁と、
    を備え、
    前記ガスタービンの負荷に基づいて前記バイパス弁の開度が制御される専焼運転モードを実施可能なガスタービンを改造するためのガスタービン改造方法であって、
    前記第１燃料、及び、前記第１燃料よりも単位体積当たりの熱量が低く、且つ、燃焼速度が速い第２燃料を含む混合燃料を、前記燃焼器で前記燃焼用空気と混合して燃焼し、前記第２燃料の混焼率が第１閾値より大きい場合に、前記バイパス弁が全閉状態に制御される混焼運転モードを、前記専焼運転モードと切替可能に改造する、ガスタービン改造方法。
    

Images