JPH0552123A - ガスタービンの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガスタービンの低負荷運転時のＮＯｘの発生
を低減する。 【構成】 タービン下流の排気通路５３とコンプレッサ
上流の吸気通路５４とを結ぶ排気還流通路５５に介装し
た排気還流制御弁５６と、アクセル開度の検出手段５７
と、燃焼器５１の入口空気温度を直接または間接的に検
出する温度検出手段５８と、アクセル開度が設定値以下
のとき前記検出温度が所定の目標温度となるように排気
還流制御弁５６の開度を制御する排気還流制御手段５９
とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービンの排気組成
を改善する制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの回転をアクセル開度に対
応した目標回転数となるようにフィードバック制御する
装置が、実公昭６１−２０２６５号公報に開示されてい
る。

【０００３】また、この装置ではガスタービンのコンプ
レッサタービンの入口ガス温度とタービン回転数が相関
し、かつコンプレッサタービン入口ガス温度が燃焼器の
入口空気温度と相関することから、燃焼器入口空気温度
を検出しながらコンプレッサタービンの入口ガス温度を
推定し、入口ガス温度を目標特性に対応させるように燃
料供給量を制御している。

【０００４】ガスタービンの低負荷運転時やアイドル運
転時は、要求タービン回転数が低くなり、このためター
ビン入口温度も低く、これに対応して燃焼器入口空気温
度も相対的に低い状態で均衡する。

【０００５】

【発明が解決しようとする問題点】ところでガスタービ
ンの燃焼器として、燃料を蒸発（気化）させ、空気と予
混合して希薄燃焼させるタイプがあるが、この場合、上
記したアイドル運転時など燃焼器入口温度が低下する
と、燃料の予蒸発が不完全となり、排気組成が悪化する
傾向があった。

【０００６】燃焼器で燃料を燃焼させる前に予め蒸発さ
せておくと、ＮＯｘの発生量が低下するが、燃料の蒸発
率が低いと、未蒸発の燃料液滴が拡散燃焼を起こし、Ｎ
Ｏｘの発生量が急激に増加するのである。

【０００７】本発明はこのような問題を解決することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は図１に示すよう
に、吸入空気を圧縮するコンプレッサ５０と、燃料を圧
縮空気と共に燃焼させる燃焼器５１と、この燃焼ガスに
よって駆動され前記コンプレッサ５０を回転させるター
ビン５２とを備えたガスタービンにおいて、タービン下
流の排気通路５３とコンプレッサ上流の吸気通路５４と
を結ぶ排気還流通路５５と、この排気還流通路５５に介
装した排気還流制御弁５６と、燃料供給量を指示するア
クセル開度の検出手段５７と、前記燃焼器５１の入口空
気温度を直接または間接的に検出する温度検出手段５８
と、アクセル開度が設定値以下のとき前記検出温度が所
定の目標温度となるように排気還流制御弁５６の開度を
制御する排気還流制御手段５９とを備える。

【０００９】

【作用】アクセル開度が小さく燃料供給量の少ないアイ
ドル運転時などコンプレッサタービン入口温度が下が
り、結果的に燃焼器の入口空気温度が低くなる。燃焼器
入口空気温度が下がると、排気還流通路の排気還流制御
弁が開き、排気の一部が吸気通路に還流される。還流さ
れる高温の排気により吸気温度が高まり、燃焼器の入口
温度も相対的に上昇する。これにより、燃料の蒸発が促
進され、燃焼時に発生するＮＯｘが減少する。

【００１０】アクセル開度が大きくなり、燃焼器の入口
空気温度が上昇すると、排気還流通路の排気還流制御弁
が閉じ、排気還流は停止される。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１２】図２において、１はガス発生機のコンプレ
ッサ、２はコンプレッサ１とガス発生機軸３によって連
結されたコンプレッサタービンで、予蒸発予混合燃焼器
６においてコンプレッサ１で圧縮された吸入空気と共に
燃料を燃焼させ、この燃焼ガスによりコンプレッサター
ビン２が駆動される。４はコンプレッサタービン２を通
過した燃焼ガスによって駆動されるパワータービンで、
車両などの負荷１２を駆動する。

【００１３】５は圧縮空気を加熱する再熱用の熱交換
器、７は前記燃焼器６に供給する燃料を調整する燃料調
整弁、８は燃料調整弁駆動装置、９は燃料ポンプ、１０
はパワータービン４に導く燃焼ガスの流入角を制御する
バリアブルノズル、１１はバリアブルノズル１０の角度
調整機構である。

【００１４】１３は燃料供給量を指示するアクセル開度
の検出器、１５はガス発生機軸の回転数の検出器、１６
はパワータービン回転数の検出器、１７はコンプレッサ
タービン入口ガス温度の検出器で、これらの各検出信号
はコンローラ１８に入力し、コンローラ１８はこれらに
基づいて前記燃料調整弁７の開度、バリアブルノズル１
０の角度を制御する。

【００１５】また、２７はコンプレッサ１の上流の吸気
通路２５と、パワータービン４、熱交換器５下流の排気
通路２６とを結ぶ排気還流通路で、この排気還流通路２
７には排気還流量を制御する排気還流制御弁３１が介装
される。

【００１６】３３は前記燃焼器６の入口空気温度を検出
する検出器で、この検出信号は前記コンローラ１８に入
力され、コンローラ１８はアクセル開度がアイドル運転
時など所定値以下のときに燃焼器入口温度が設定された
目標温度よりも低いときに、制御弁駆動装置３２を介し
て排気還流制御弁３１を開いて排気還流通路２７を経由
して、吸気通路２５に高温の排気を流入させ、吸入空気
温度を上昇させる。

【００１７】なお、２１、２２、３４はコンローラ１８
の各出力を増幅するコンバータである。

【００１８】排気還流制御の詳細は図３のフローチャー
トに示す。つまり、ステップ１で読み込んだアクセル開
度θaを、予め決めた低負荷状態に対応した設定開度θa
oと比較する（ステップ２）。アクセル開度が設定開度
以下の低負荷時には、ステップ３で燃焼器入口空気温度
Ｔccを読み込み、次いでこれを予め決められた設定温度
Ｔccoと比較する（ステップ４）。

【００１９】そして、温度が設定温度以下のときは、ス
テップ５に移行して、空気温度Ｔccが目標温度Ｔccoと
一致するように、排気還流制御弁３１の開度θegrを算
出し、これをステップ９で制御弁駆動装置３２に出力す
る。

【００２０】また、設定温度以上のときはステップ６で
排気還流制御弁３１の開度が最大値θegr(max)に達して
いるかどうか判断し、以下のときはステップ５に移行し
て制御弁開度をフィードバック制御するが、以上のとき
は制御弁開度を最大値に保持する（ステップ７）。

【００２１】ステップ２においてアクセル開度が設定開
度以上のときは、ステップ８に移行して排気還流制御弁
３１を全閉にする。

【００２２】次に作用について説明する。

【００２３】コンプレッサ１によって圧縮された吸入空
気は、熱交換器５で加熱された後、燃焼器６において燃
料と共に燃焼する。この燃焼ガスによってコンプレッサ
タービン２が駆動され、同軸上のコンプレッサ１を回転
させる。コンプレッサタービン２を出た燃焼ガスはバリ
アブルノズル１０を介して次段のパワータービン４に流
入し、これを駆動する。パワータービン４によって車両
等の負荷１２が駆動される。パワータービン４を出た排
気ガスは熱交換器５において、コンプレッサ１からの吸
入空気と熱交換して温度を高める。

【００２４】燃焼器６に供給される燃料量は、コンロー
ラ１８によりアクセル開度に対応して、目標の回転数と
なるように制御される。

【００２５】ところで、燃焼器６は予蒸発予混合希薄燃
焼器であって、軽油等の液体燃料を蒸発管を通して蒸発
させ、希薄な均一な混合気（空気過剰率＝２〜３程度）
として燃焼させるもので、ＮＯｘの発生率が非常に低い
という特徴をもつ。

【００２６】しかし図４にも示すように、燃料の蒸発率
が下がると、燃焼時に発生するＮＯｘは急激に増加す
る。これは蒸発しない燃料液滴が拡散燃焼を起こすため
で、蒸発率が高いときはＮＯｘの発生は非常に少ない。

【００２７】燃焼器６における燃料の蒸発は燃焼器入口
温度に相関し、入口温度が高くなるほど蒸発が良好とな
る。図５は燃料を完全に蒸発させるのに必要な蒸発管の
長さ（距離）を示すもので、入口温度が高ければ蒸発距
離は短くなる。実際には蒸発管の内部での燃料の自然着
火を防ぐために、蒸発管の長さは制限される。したがっ
て、入口温度が低いと、図の斜線領域で示す範囲で燃料
の蒸発が不十分となってしまう。

【００２８】一般にガスタービンが中、高負荷で運転さ
れているときは、燃焼器の入口温度は高く保たれるた
め、燃料の蒸発が不十分となることはないが、アイドル
運転時な極低負荷運転時には燃料の供給量が少なく、コ
ンプレッサタービン入口ガス温度も低く、結果として燃
焼器入口温度も低くなり、燃料の蒸発率が下がるのであ
る。

【００２９】しかし、本発明では、アクセル開度に基づ
いてこのような低負荷運転域を判定すると、コンローラ
１８が排気還流制御弁３１を開いて排気還流を行い、高
温の排気を吸気中に還流することにより、コンプレッサ
入口空気温度を高める。

【００３０】図６はタービン出力一定のときの、コンプ
レッサ入口温度とコンプレッサタービン入口温度との関
係を示すもので、コンプレッサ入口温度を上げること
で、タービン出力を増すことなく、コンプレッサタービ
ン入口温度を高めることができ、これによって燃焼器入
口空気温度を相対的に上昇させられるのである。

【００３１】コンローラ１８は燃焼器入口温度が燃料の
蒸発に必要な目標温度となるように、排気還流制御弁３
１の開度をフィードバック制御することにより、最小必
要限の排気還流を行い、この結果、適正な燃焼器入口空
気温度を確保し、燃料の蒸発を効果的に促進することが
でき、同時に過剰排気還流による未燃ＨＣ、ＣＯ等の排
出も抑制する。

【００３２】タービンの負荷が増加すると、コンプレッ
サタービン入口温度が上昇し、結果的に燃焼器入口温度
も上昇するため、排気還流は不要となり、コンローラ１
８は排気還流制御弁３１を閉じ排気還流を停止する。

【００３３】図７の実施例は、燃焼器６の入口温度を温
度検出器３３で検出する代わりに、熱交換器５に流入す
る排気ガス温度を温度検出器４１で検出し、これに基づ
いてコンローラ１８により排気還流を制御するようにし
た例である。

【００３４】燃焼器入口空気温度は熱交換器５における
熱交換量に比例し、この熱交換量は排気温度に相関し、
排気温度が高かいほど入口空気温度は上昇する。したが
って、燃焼器入口温度を直接的ではなく間接的に検出し
ても、燃焼器６での燃料の蒸発具合を推定することがで
きる。

【００３５】なお、ガスタービン用の熱交換器５として
は、回転蓄熱型の熱交換器がよく用いられるが、この場
合は熱交換器出口側の排気の温度分布にむらがでやす
く、この出口側の温度を検出したのでは、燃焼器入口の
平均空気温度をうまく測定できないことがあるため、熱
交換器入口側の排気温度を測定し、これをもって燃焼器
入口空気温度を予測するようにした。

【００３６】この場合も、前記と同じように、アイドル
運転時などに熱交換器入口排気温度が設定値以下のとき
に、排気還流を行い、コンプレッサ入口温度を高め、燃
焼器６に流入する空気温度を上昇させることにより、Ｎ
Ｏｘの発生を低減することができる。

【００３７】なお、上記の実施例ではタービンが２つあ
る二軸ガスタービンに本発明を適用した例を説明した
が、一軸ガスタービンに対しても、本発明を適用するこ
とはできる。

【００３８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、燃焼器の
入口空気温度が下がるアイドル運転時などに排気還流制
御弁を開いて排気還流を行い、高温の排気を吸気中に還
流することにより、吸気温度を高められ、これに応じて
燃焼器の入口温度も上昇させることができ、アイドル運
転時等にも燃料の蒸発を促進して、燃焼器におけるＮＯ
ｘの発生を効果的に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成図である。

【図２】本発明の実施例を示すブロック回路図である。

【図３】同じくその制御動作を示すフローチャートであ
る。

【図４】燃料蒸発率とＮＯｘの発生量との関係を示す説
明図である。

【図５】燃焼器入口空気温度と燃料蒸発距離との関係を
示す説明図である。

【図６】コンプレッサ入口空気温度とコンプレッサター
ビン入口ガス温度との関係を示す説明図である。

【図７】他の実施例を示すブロック回路図である。

【符号の説明】

１ コンプレッサ ２ コンプレッサタービン ４ パワータービン ５ 熱交換器 ６ 燃焼器 １３ アクセル開度検出器 １８ コンローラ ２５ 吸気通路 ２６ 排気通路 ２７ 排気還流通路 ３１ 排気還流制御弁 ３３ 燃焼器入口空気温度検出器 ４１ 熱交換器入口側排気温度検出器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸入空気を圧縮するコンプレッサと、燃
   料を圧縮空気と共に燃焼させる燃焼器と、この燃焼ガス
   によって駆動され前記コンプレッサを回転させるタービ
   ンとを備えたガスタービンにおいて、タービン下流の排
   気通路とコンプレッサ上流の吸気通路とを結ぶ排気還流
   通路と、この排気還流通路に介装した排気還流制御弁
   と、燃料供給量を指示するアクセル開度の検出手段と、
   前記燃焼器の入口空気温度を直接または間接的に検出す
   る温度検出手段と、アクセル開度が設定値以下のとき前
   記検出温度が所定の目標温度となるように排気還流制御
   弁の開度を制御する排気還流制御手段とを備えたことを
   特徴とするガスタービンの制御装置。