JPH0461168B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明はガスタービンの制御装置に係り、特に
ガスタービンからの公害排出物NOxの低減化を
目的とするガスタービンの制御装置に関する。

〔発明の技術的背景およびその問題点〕

第６図は、基本的なガスタービン装置の構成図
であつて、空気圧縮機１によつて圧縮された大気
は高圧空気となつて燃焼器２に流入する。上記燃
焼器２は円筒状の燃焼筒３を有し、その燃焼筒３
の外周部に環状領域４を形成するように外筒５が
同心的に配設され、上記燃焼筒３の一端部に燃料
ノズル６が設けられている。そこで、上記燃焼器
２に流入した高圧空気は、上記燃焼筒２と外筒５
により形成された環状領域４を通り、燃焼筒３を
強制対流冷却しながら、その燃焼筒３の外周壁に
形成された空気穴７および前記燃料ノズル６の外
周部に設けられたスワラ８等により燃焼筒３内に
流入する。一方、燃料は、ガスタービン負荷に対
応して燃料流量調整弁９によつて流量が制御さ
れ、燃料ノズル６により燃焼筒３内の逆流領域１
０近傍に噴出せしめられ、点火装置１１により着
火され、前記スワラ８および空気穴７から流入し
た高圧空気とともに燃焼し、定容定圧燃焼が継続
して高温ガスが発生される。しかして、この高温
ガスはガスタービン１２に導びかれて動力を発生
し、この動力は空気圧縮機１の駆動動力として一
部を消費し、残りの動力は例えば発電機の如き被
駆動機１３の駆動動力として消費される。

ところが、上記燃焼器２においては、燃料ノズ
ル６が１個または複数個の場合においても、燃焼
によつて生ずる高温ガスのため、いわゆるサーマ
ルNOxと称するNOxが大量に発生する。

このNOxは燃料ノズル６の多数化、空気穴７
等の工夫により、若干の局所的または狭い領域の
火炎温度の低下には効果があるが、大巾なNOx
の低減は不可能である。

ところで、局所的な火炎温度の低減を実現する
方法としては、予混合法が効果的であることが知
られている。すなわち、第７図は燃空比に対する
NOxの変化を示す図であり、予混合なしの場合
におけるNOx発生量が曲線Ａのようになるのに
対し、例えば燃料希薄条件で予混合すると、その
予混合割合に応じてNOx発生量は曲線Ｂのよう
になり、局所的火炎温度の低下が可能となり、
NOx低減が可能となる。

第８図は、上記予混合法を利用した燃焼器の基
本的な構成を示す概略図であつて、燃焼筒３の外
側部には予混合室１４が形成されており、第２の
燃料流量調整弁９ａによつて流量調整された燃料
が上記予混合室１４に供給され、そこで燃焼筒３
内に流入する前に高圧空気と予混合され、予混合
室１４に設けられた複数個の穴１５を通つて燃焼
筒３内に流入する。そして、上記燃焼筒３内にお
いて、前記燃料ノズル６から噴射された燃料の燃
焼によつて発生した高温ガスによつて着火され、
低い燃焼温度で燃焼しNOxの発生が抑制される。

このような装置におけるNOx，CO等のガスタ
ービン負荷に対応する排ガス量は、第９図に示す
ようになり、定格負荷付近のガスタービン負荷運
転においては、NOx規制値ａおよびCO規制値ｂ
をそれぞれ十分クリアすることができる。しかし
ながら、この図からも判るように、部分負荷運転
時においては、NOx，COはともに規制値ａ，ｂ
を大巾にオーバーする。

これらの部分負荷における欠点を補うため、第
８図に示すように、高圧空気の一部を直接ガスタ
ービン１２の入口側に供給する空気バスパス導管
１６を設け、ガスタービン負荷に対応して調整弁
１７により燃焼器２への空気量を制御し、できる
だけ高温ガスにおける燃空比を一定にすることに
より、NOxの発生を抑制する方法もある。しか
し、この方法は、前記欠点のNOxの最大値をク
リアすることはできるが、高温ガス周辺に温度差
のある高圧空気を流入させるため、構造的にも温
度分布的にも好ましくない等の別の問題が発生す
る。

〔発明の目的〕

本発明はこのような点に鑑み、複数系統の燃料
系統を設け、予混合気の供給を複数段にわたつて
段階的に行なうことにより、NOxの低減を効果
的に行ない、上述の如き問題点がないガスタービ
ンの制御装置を得ることを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、それぞれ燃焼器への燃料流量を制御
可能な少なくとも３つの燃料系統と、燃料ノズル
から燃料を噴出させる燃料系統以外の燃料系統の
燃料をそれぞれ高圧空気と予混合させ、その予混
合された燃料を燃焼筒内に供給する複数の混合室
と、タービン負荷に応じて、複数系統の燃料流量
の総和を制御するとともに、単一燃料系統から順
次複数燃料系統への切換えを行なつて、予混合さ
れた燃料の供給を段階的に行なわせる燃焼制御器
とを有することを特徴とする。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明装置における燃焼器部の概略構
成図であつて、燃焼筒３の一端に設けられた燃料
ノズル６には、第１系統の燃料f₁が制御弁１８を
介して供給されるとともに、その燃料の一部が空
気圧縮機１から送給された高圧空気の一部ととも
にスワラ８を経て上記燃焼筒３内に供給され、当
該部で燃焼が行なわれる。

ところで、上記燃焼筒３の外周部には、それぞ
れ独立した予混合室１９，２０が設けられ、各予
混合室１９，２０に、第２系統の燃料f₂および第
３系統の燃料f₃がそれぞれ制御弁２１，２２を介
して供給され、そこで空気圧縮機１から吐出され
た高圧空気の一部とそれぞれ予混合した後、各予
混合室１９，２０に設けられた穴２３，２４より
燃焼筒３内に噴入され、当該部で燃焼される。ま
た、上記燃焼筒３内には、その周壁に設けられた
多数の穴２５から冷却空気が供給されるととも
に、下流側においては数個の穴２６から希釈空気
が供給される。

ところで、制御弁１８，２１，２２は、第２図
に示すように、燃焼制御器３０からの出力信号に
よつてそれぞれ作動制御されるようにしてあり、
上記燃焼制御器３０には、負荷増減信号Ｌが入力
されるとともに、タービン１２の排気部に設けら
れた排気温度センサー３１からの排気温度信号、
およびガスタービン速度センサー３２からの速度
信号がフイードバツクされ、さらに各制御弁１
８，２１，２２にそれぞれ設けられた弁開度検出
器３３，３４，３５からの弁開度信号がフイード
バツクされる。

第３図は、上記燃焼制御器３０の制御ブロツク
図であつて、ガスタービン負荷増減信号Ｌが燃焼
制御器３０の負荷設定器４０に入力すると、その
負荷設定器４０が作動して負荷指令が出力され、
この負荷指令は速度センサー３２より得られる速
度信号と比較器４１で比較され、その偏差信号が
速度負荷制御部４２を介して低値優先回路４３に
入力される。上記低値優先回路４３には、排気温
度センサー３１からの排気温度信号を入力する排
気温度制御部４４の出力と、起動時制御部４５の
出力が同様に入力されており、これらの３信号の
低値により燃料要求指令信号ｇが出力される。上
記低値優先回路４３は、速度負荷信号に優先して
ガスタービン保護のための排気温度制御信号を活
かしたり、起動時の燃料制御を行なうためのもの
で、通常は排気温度が制限内であれば、負荷指令
に応じて燃料要求指令信号ｇが出力される。

ところで、上記燃料要求指令信号ｇは、第１の
関数発生器４６、第２の関数発生器４７、および
第３の関数発生器４８に入力され、上記第１の関
数発生器４６では、上記燃料要求指令信号ｇに対
応する第１系統の燃料f₁の流量指令信号が出力さ
れ、この信号から減算器４９で第１のバイアス設
定器５０からのバイアス信号が減算され、その偏
差信号が流量−弁リフト変換器５１で弁リフト信
号となり、減算器５２、パワーアンプ５３を介し
て制御弁１８に入力され、その制御弁１８の開度
が制御される。また、上記制御弁１８の開度は弁
開度検出器３３によつて検出され、減算器５２に
フイードバツクされる。

一方、第２の関数発生器４７では、タービン負
荷が低負荷域における所定値になつたとき、燃料
要求指令信号ｇに応じて第２系統の燃料f₂の流量
指令信号が出力され、これが加算器５４において
前記第１のバイアス設定器５０からのバイアス信
号が加算されるとともに第２のバイアス設定器５
５からのバイアス信号が減算され、その出力信号
が流量−弁リフト変換器５６で弁リフト信号とな
り、減算器５７、パワーアンプ５８を介して制御
弁２１に入力され、その制御弁２１の開度が制御
される。そして、その制御弁２１の開度は弁開検
出器３４によつて検出され、減算器５７にフイー
ドバツクされる。

さらに、負荷が上昇し所定値になると、第３の
関数発生器４８が作動し、燃料要求指令信号ｇに
応じて、第３系統の燃料f₃の流量指令信号が出力
され、これが加算器５９で前記第２のバイアス設
定器５５からのバイアス信号が加算され、その加
算信号が流量−弁リフト変換器６０で弁リフト信
号となり、減算器６１、パワーアンプ６２を介し
て制御弁２２に入力され、その制御弁２２の開度
が制御される。そして、その制御弁２２の開度は
弁開検出器３５によつて検出され、減算器６１に
フイードバツクされる。

ところで、上記第１のバイアス設定器５０は、
第２系統の燃料用の制御弁２１の開き始め点B₁
でバイアス量l₁を第１系統の燃料の流量指令信号
から引算し、第２系統の燃料流量指令信号に加算
するものであり、また第２のバイアス設定器５５
は、第３系統の制御弁２２の開き始め点B₂でバ
イアス量l₂を第２系統の燃料の流量指令信号から
引算し、第３系統の燃料の流量指令信号に加算を
するものである。なお、上記バイアスは瞬時に引
算、加算をすると、燃料流量変動を引き起す可能
性があるため、バイアスは徐々に与えられる。

しかして、例えばガスタービン負荷増信号が燃
焼制御器３０に入力されると、第１系統の燃料は
制御弁１８によつて第４図ａの実線で示すように
その流量が制御され、タービン負荷が低負荷域の
所定値になつた点B₁で第２系統の燃料の制御弁
２１が開方向に制御され、第２系統の燃料が点線
で示すように制御され、一方制御弁１８は前記バ
イアス量l₁に相当する分閉方向に制御されて、以
後所定開度に保持され、第１系統の燃料はほぼ一
定流量となる。そして、ガスタービンの負荷の増
加に対しては第２系統の燃料の増加によつて対応
される。

その後さらに負荷が増加し所定値に達すると
（点B₂）、第３系統の燃料の制御弁２２が開方向
に制御され、第３系統の燃料の流量が２点鎖線で
示すように推移せしめられて負荷の上昇に対処さ
れ、一方第２系統の燃料はバイアス量l₂だけ減少
したほぼ一定流量に保持される。

このようにして、トータル燃料は負荷に対応し
て一点鎖線で示すようになる。

しかして、制御弁２１，２２の開らき始め点
B₁，B₂の位置を適宜設定することにより、NOx
およびCO排出量を第４図ｂに示すように、全負
荷帯域においてそれぞれNOx規制値ａおよびCO
規制値ｂ以下に保持させることができる。

ところで、前記燃料制御弁の切換点B₁，B₂の
うち、第２系統の燃料の制御弁２１の開き始め点
B₁については、低い安定した負荷位置とすれば、
負荷変動要求（ガバナフリー信号も含む）の燃料
要求信号の増減により頻繁に燃料弁の切換えが発
生することはないが、第３系統の燃料の制御弁２
２の開き始め点B₂は、70％〜80％負荷程度の高
負荷となり、負荷変動要求も受けやすい負荷帯に
ある。したがつて、この制御弁２２の開き始め点
B₂の前後で負荷要求指令が増減し、或はガバナ
フリー運転が行なわれることになると、制御弁２
２が開閉を繰り返すことになり、燃料流量の変動
ひいては負荷制御の不安定をひきおこすとも考え
られる。

そこで、上記制御弁２２の開らき始め点B₂に
おける制御弁２１および制御弁２２の動きにヒス
テリシスを設け、一度弁の切り換わりが行なわれ
ると、次に負荷指令が元に戻つて再度切り換りの
負荷指令となつても、すぐには切り換わらいよう
にして、頻繁に制御弁の切換りが発生しないよう
にし、円滑な負荷制御ができるようにすることも
できる。

すなわち、第５図に示すように、点B₂部にお
いては、制御弁２１に対して負荷上昇時にはａ→
ｂ→ｃ→ｄのように弁開度を変化させ、負荷降下
時にはｄ→ｃ→ｅ→ａのように変化させ、一方制
御弁２２に対しても、負荷上昇時にはｆ→ｇ−ｈ
→ｉのように弁開度を変化させ、負荷降下時には
ｉ→ｈ→ｊ→ｆのように変化させるようにしても
よい。

また、上記実施例においては３系統の燃料制御
について説明したが、NOx排出量とその規制値
との兼合いで、３系統でなく４系統等にしてもよ
い。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明においては、複数の
燃料系統を設け、燃焼筒内に予混合された燃料を
順次段階的に供給するようにしたので、燃焼筒内
において火炎が次々に下流側に広がつて燃焼が維
持され、燃焼による火炎温度の上昇が少なく、
NOxの発生を拡散燃焼時に比較して少なくする
ことができ、全負荷域においてNOxピーク値が
NOx規制値以上になることを確実に防止するこ
とができる。したがつて、蒸気噴射、水噴射等に
よる低NOx化対策により生ずるコンバインドサ
イクル効率の低下、プラントの運転維持費の増大
を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置における燃焼器部の概略構
成図、第２図は本発明の制御装置の概略系統図、
第３図は燃焼制御器の制御ブロツク図、第４図
ａ，ｂはそれぞれ本発明におけるガスタービン負
荷に対応する燃料流量、NOxおよびCO排出量の
変化説明図、第５図は本発明の他の実施例におけ
るガスタービン負荷に対応する制御弁開度変化
図、第６図は基本的なガスタービン装置の構成
図、第７図は燃空比に対するNOxの変化線図、
第８図は従来の予混合方式と空気流量制御による
低NOxタービンの構成図、第９図は第８図のガ
スタービンの排ガス特性線図である。 １…空気圧縮機、２…燃焼器、３…燃焼筒、６
…燃料ノズル、８…スワラ、１２…ガスタービ
ン、１９，２０…予混合室、１８，２１，２２…
制御弁、３０…燃焼制御器、３１…排気温度セン
サー、３２…速度センサー、４２…速度負荷制御
部、４３…低値優先回路、５０，５５…バイアス
設定器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ それぞれ燃焼器への燃料流量を制御可能な少
   なくとも３つの燃料系統と、燃料ノズルから燃料
   を噴出させる燃料系統以外の燃料系統の燃料をそ
   れぞれ高圧空気と予混合させ、その予混合された
   燃料を燃焼筒内に供給する複数の混合室と、ター
   ビン負荷に応じて、複数系統の燃料流量の総和を
   制御するとともに、単一燃料系統から順次複数燃
   料系統への切換えを行なつて、予混合された燃料
   の供給を段階的に行なわせる燃焼制御器とを有す
   ることを特徴とするガスタービン制御装置。 ２ 各燃料系統の燃料流量を制御する制御弁の切
   換は、燃料要求指令信号によつて行なわれること
   を特徴とする、特許請求の範囲第１項記載のガス
   タービン制御装置。 ３ 高負荷域での燃料系統の切換点における制御
   弁の制御には、ヒステリシスが与えられることを
   特徴とする、特許請求の範囲第１項記載のガスタ
   ービン制御装置。